Optique quantique - Quantum optics
L'optique quantique est une branche de la physique atomique, moléculaire et optique qui traite de la façon dont les quanta individuels de lumière, appelés photons , interagissent avec les atomes et les molécules. Il comprend l'étude des propriétés particulaires des photons. Les photons ont été utilisés pour tester de nombreuses prédictions contre-intuitives de la mécanique quantique , telles que l' intrication et la téléportation , et sont une ressource utile pour le traitement de l'information quantique .
Histoire
La lumière se propageant dans un volume restreint de l'espace voit son énergie et sa quantité de mouvement quantifiées selon un nombre entier de particules appelées photons . L'optique quantique étudie la nature et les effets de la lumière sous forme de photons quantifiés. Le premier développement majeur menant à cette compréhension a été la modélisation correcte du spectre de rayonnement du corps noir par Max Planck en 1899 sous l'hypothèse d'une lumière émise en unités discrètes d'énergie. L' effet photoélectrique était une preuve supplémentaire de cette quantification comme expliqué par Albert Einstein dans un article de 1905, une découverte pour laquelle il devait recevoir le prix Nobel en 1921. Niels Bohr a montré que l'hypothèse de la quantification du rayonnement optique correspondait à sa théorie de les niveaux d'énergie quantifiés des atomes , et le spectre d' émission de décharge de l' hydrogène en particulier. La compréhension de l'interaction entre la lumière et la matière à la suite de ces développements a été cruciale pour le développement de la mécanique quantique dans son ensemble. Cependant, les sous-domaines de la mécanique quantique traitant de l'interaction matière-lumière étaient principalement considérés comme des recherches sur la matière plutôt que sur la lumière ; d'où l'on parlait plutôt de physique des atomes et d' électronique quantique en 1960. La science du laser - c'est-à-dire la recherche sur les principes, la conception et l'application de ces dispositifs - est devenue un domaine important, et la mécanique quantique sous-jacente aux principes du laser a été étudiée maintenant avec plus d'accent sur le propriétés de la lumière, et le nom d' optique quantique est devenu habituel.
Comme la science du laser avait besoin de bonnes bases théoriques, et aussi parce que les recherches sur celles-ci se sont rapidement révélées très fructueuses, l'intérêt pour l'optique quantique a augmenté. À la suite des travaux de Dirac sur la théorie quantique des champs , John R. Klauder , George Sudarshan , Roy J. Glauber et Leonard Mandel ont appliqué la théorie quantique au champ électromagnétique dans les années 1950 et 1960 pour acquérir une compréhension plus détaillée de la photodétection et des statistiques de lumière (voir degré de cohérence ). Cela a conduit à l'introduction de l' état cohérent comme un concept qui portait sur les variations entre la lumière laser, lumière thermique, exotiques états comprimés , etc., il est devenu entendu que la lumière ne peut pas être décrit en détail simplement référence aux champs électromagnétiques décrivant les ondes dans le classique photo. En 1977, Kimble et al. a démontré un seul atome émettant un photon à la fois, preuve supplémentaire que la lumière est constituée de photons. Des états quantiques de lumière auparavant inconnus avec des caractéristiques différentes des états classiques, tels que la lumière comprimée, ont ensuite été découverts.
Le développement d' impulsions laser courtes et ultracourtes, créées par des techniques de commutation Q et de verrouillage de mode , a ouvert la voie à l'étude de ce qui est devenu les processus ultrarapides. Des applications pour la recherche sur l'état solide (par exemple la spectroscopie Raman ) ont été trouvées et les forces mécaniques de la lumière sur la matière ont été étudiées. Ce dernier a conduit à faire léviter et positionner des nuages d'atomes ou même de petits échantillons biologiques dans un piège optique ou des pincettes optiques par faisceau laser. Ceci, avec le refroidissement Doppler et le refroidissement Sisyphe , était la technologie cruciale nécessaire pour atteindre la célèbre condensation de Bose-Einstein .
D'autres résultats remarquables sont la démonstration de l'intrication quantique , de la téléportation quantique et des portes logiques quantiques . Ces derniers sont d'un grand intérêt pour la théorie de l'information quantique , un sujet qui a émergé en partie de l'optique quantique, en partie de l' informatique théorique .
Les champs d'aujourd'hui d'intérêt parmi les chercheurs quantiques comprennent une conversion descendante paramétrique , oscillation paramétrique , même des impulsions lumineuses plus courtes (attoseconde), l' utilisation de l' optique quantique pour l' information quantique , la manipulation des atomes individuels, les condensats de Bose-Einstein , leur application, et comment manipuler eux (un sous-domaine souvent appelé optique atomique ), les absorbeurs parfaits cohérents , et bien plus encore. Les sujets classés sous le terme d'optique quantique, en particulier lorsqu'ils sont appliqués à l'ingénierie et à l'innovation technologique, relèvent souvent du terme photonique moderne .
Plusieurs prix Nobel ont été décernés pour des travaux en optique quantique. Ceux-ci ont été récompensés :
- en 2012, Serge Haroche et David J. Wineland "pour des méthodes expérimentales révolutionnaires qui permettent de mesurer et de manipuler des systèmes quantiques individuels".
- en 2005, Theodor W. Hänsch , Roy J. Glauber et John L. Hall
- en 2001, Wolfgang Ketterle , Eric Allin Cornell et Carl Wieman
- en 1997, Steven Chu , Claude Cohen-Tannoudji et William Daniel Phillips
notions
Selon la théorie quantique , la lumière peut être considérée non seulement comme une onde électromagnétique, mais aussi comme un "flux" de particules appelées photons qui se déplacent avec c , la vitesse dans le vide de la lumière . Ces particules ne doivent pas être considérées comme des boules de billard classiques , mais comme des particules de mécanique quantique décrites par une fonction d'onde répartie sur une région finie.
Chaque particule transporte un quantum d'énergie, égal à hf , où h est la constante de Planck et f est la fréquence de la lumière. Cette énergie possédée par un seul photon correspond exactement à la transition entre des niveaux d'énergie discrets dans un atome (ou un autre système) qui a émis le photon ; l'absorption matérielle d'un photon est le processus inverse. L'explication d'Einstein de l'émission spontanée a également prédit l'existence de l'émission stimulée , le principe sur lequel repose le laser . Cependant, l'invention réelle du maser (et du laser) de nombreuses années plus tard dépendait d'une méthode pour produire une inversion de population .
L'utilisation de la mécanique statistique est fondamentale dans les concepts de l'optique quantique : la lumière est décrite en termes d'opérateurs de champ pour la création et l'annihilation de photons, c'est-à-dire dans le langage de l'électrodynamique quantique .
Un état fréquemment rencontré du champ lumineux est l' état cohérent , tel qu'introduit par EC George Sudarshan en 1960. Cet état, qui peut être utilisé pour décrire approximativement la sortie d'un laser monofréquence bien au-dessus du seuil laser, présente un nombre de photons de Poisson. statistiques. Via certaines interactions non linéaires , un état cohérent peut être transformé en un état cohérent compressé , en appliquant un opérateur de compression qui peut présenter des statistiques photoniques super ou sous-poissoniennes . Une telle lumière est appelée lumière pressée . D'autres aspects quantiques importants sont liés aux corrélations des statistiques photoniques entre différents faisceaux. Par exemple, la down-conversion paramétrique spontanée peut générer des "faisceaux jumeaux", où (idéalement) chaque photon d'un faisceau est associé à un photon de l'autre faisceau.
Les atomes sont considérés comme des oscillateurs mécaniques quantiques avec un spectre d'énergie discret , les transitions entre les états propres d' énergie étant entraînées par l'absorption ou l'émission de lumière selon la théorie d'Einstein.
Pour la matière solide, on utilise les modèles de bandes d'énergie de la physique du solide . Ceci est important pour comprendre comment la lumière est détectée par les dispositifs à semi-conducteurs, couramment utilisés dans les expériences.
L'électronique quantique
L'électronique quantique est un terme utilisé principalement entre les années 1950 et 1970 pour désigner le domaine de la physique traitant des effets de la mécanique quantique sur le comportement des électrons dans la matière, ainsi que leurs interactions avec les photons . Aujourd'hui, il est rarement considéré comme un sous-domaine à part entière, et il a été absorbé par d'autres domaines. La physique du solide prend régulièrement en compte la mécanique quantique, et s'intéresse généralement aux électrons. Des applications spécifiques de la mécanique quantique en électronique sont recherchées dans le cadre de la physique des semi-conducteurs . Le terme englobait également les processus de base du fonctionnement du laser , qui est aujourd'hui étudié en tant que sujet en optique quantique. L'utilisation du terme chevauchait les premiers travaux sur l' effet Hall quantique et les automates cellulaires quantiques .
Voir également
Remarques
Les références
- Gerry, Christophe ; Chevalier, Pierre (2004). Introduction à l'optique quantique . La presse de l'Universite de Cambridge. ISBN 052152735X.
- Le prix Nobel de physique 2005
Lectures complémentaires
- L. Mandel , E. Wolf Cohérence optique et optique quantique (Cambridge 1995).
- DF Walls et GJ Milburn Quantum Optics (Springer 1994).
- Crispin Gardiner et Peter Zoller , Quantum Noise (Springer 2004).
- HM Moya-Cessa et F. Soto-Eguibar, Introduction à l'optique quantique (Rinton Press 2011).
- MO Scully et MS Zubairy Quantum Optics (Cambridge 1997).
- WP Schleich Optique quantique dans l'espace des phases (Wiley 2001).
- Kira, M. ; Koch, SW (2011). Optique Quantique Semi-conducteur . La presse de l'Universite de Cambridge. ISBN 978-0521875097.
- FJ Duarte (2014). Optique quantique pour les ingénieurs . New York : CRC. ISBN 978-1439888537.
Liens externes
- Introduction à l'optique quantique du champ lumineux
- Encyclopédie de la physique et de la technologie des lasers , avec un contenu sur l'optique quantique (en particulier le bruit quantique dans les lasers), par Rüdiger Paschotta.
- Qwiki - Un wiki de physique quantique consacré à la fourniture de ressources techniques pour la pratique de la physique quantique.
- Quantiki - une ressource WWW à contenu gratuit en science de l'information quantique que tout le monde peut éditer.
- Divers rapports d'optique quantique