ทัศนศาสตร์ควอนตัม

(Learn how and when to remove this message)

ทัศนศาสตร์ควอนตัมเป็นสาขาหนึ่งของฟิสิกส์อะตอม โมเลกุล และทัศนศาสตร์รวมถึงเคมีควอนตัมที่ศึกษาพฤติกรรมของโฟตอน (ควอนตัมของแสงแต่ละตัว) ซึ่งรวมถึงการศึกษาคุณสมบัติคล้ายอนุภาคของโฟตอนและการปฏิสัมพันธ์ของโฟตอนกับอะตอมและโมเลกุล เป็นต้น โฟตอนถูกนำมาใช้ทดสอบการทำนายที่ขัดแย้งกับสามัญสำนึกหลายอย่างของกลศาสตร์ควอนตัมเช่นการพัวพันและการส่งผ่านข้อมูลและเป็นทรัพยากรที่มีประโยชน์สำหรับการประมวลผลข้อมูลควอนตัม

แสงที่แพร่กระจายในปริมาตรจำกัดของอวกาศจะมีพลังงานและโมเมนตัม ที่ถูก ควอนตัมไปเป็นจำนวนเต็มของอนุภาคที่เรียกว่า โฟ ตอน ทัศนศาสตร์ควอนตัมศึกษาธรรมชาติและผลกระทบของแสงในฐานะกลุ่มของควอนตัมที่ไม่ต่อเนื่องที่เรียกว่าโฟตอน การพัฒนาที่สำคัญครั้งแรกที่นำไปสู่ความเข้าใจนี้คือแบบจำลอง สเปกตรัม การแผ่รังสีของวัตถุดำ ของแม็กซ์ พลังค์ในปี 1900 ซึ่งตั้งสมมติฐานว่าพลังงานถูกปล่อยออกมาในหน่วยที่ไม่ต่อเนื่องปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกเป็นหลักฐานเพิ่มเติมของการควอนตัมนี้ ดังที่อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ได้อธิบายไว้ ในบทความปี 1905 ซึ่งเป็นการค้นพบที่ทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลในปี 1921 นีลส์ โบห์รแสดงให้เห็นว่าสมมติฐานที่ว่าการแผ่รังสีทางแสงถูกควอนตัมนั้นสอดคล้องกับทฤษฎีระดับพลังงานควอนตัมของอะตอม ของเขา และ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สเปกตรัมการปล่อยประจุจากไฮโดรเจนความเข้าใจเกี่ยวกับการปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและสสารหลังจากพัฒนาการเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนากลศาสตร์ควอนตัมโดยรวม อย่างไรก็ตาม สาขาย่อยของกลศาสตร์ควอนตัมที่เกี่ยวข้องกับปฏิสัมพันธ์ระหว่างสสารและแสงนั้น ส่วนใหญ่ถูกมองว่าเป็นการวิจัยเกี่ยวกับสสารมากกว่าแสง ดังนั้นในทศวรรษ 1960 จึงมีการพูดถึง ฟิสิกส์อะตอมและอิเล็กทรอนิกส์ควอนตัม มากกว่า วิทยาศาสตร์เลเซอร์ —เช่น การวิจัยเกี่ยวกับหลักการ การออกแบบ และการประยุกต์ใช้ของอุปกรณ์เหล่านี้—กลายเป็นสาขาที่สำคัญ และกลศาสตร์ควอนตัมที่อยู่เบื้องหลังหลักการของเลเซอร์นั้นได้รับการศึกษาโดยเน้นไปที่คุณสมบัติของแสงมากขึ้น และชื่อ " ทัศนศาสตร์ควอนตัม"จึงกลายเป็นเรื่องปกติ

จากผลงานของDirac ใน ทฤษฎีสนามควอนตัมJohn R. Klauder , George Sudarshan , Roy J. GlauberและLeonard Mandel ได้นำทฤษฎีควอนตั ม มาประยุกต์ ใช้กับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงทศวรรษ 1950 และ 1960 เพื่อให้เข้าใจการตรวจจับแสงและสถิติของแสงได้ละเอียดมากขึ้น (ดูระดับความสอดคล้อง ) สิ่งนี้ทำให้เกิดแนวคิดเรื่องสถานะที่สอดคล้องกัน (coherent state) ซึ่งกล่าวถึงความแตกต่างระหว่างแสงเลเซอร์ แสงความร้อนสถานะบีบอัด ที่แปลกใหม่ ฯลฯ เนื่องจากเป็นที่เข้าใจกันว่าแสงไม่สามารถอธิบายได้อย่างสมบูรณ์โดยอ้างอิงถึงสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่อธิบายคลื่นในภาพแบบคลาสสิกเท่านั้น ในปี 1977 Kimbleและคณะได้แสดงให้เห็นว่าอะตอมเดี่ยวปล่อยโฟตอนออกมาครั้งละหนึ่งโฟตอน ซึ่งเป็นหลักฐานที่น่าเชื่อถือเพิ่มเติมว่าแสงประกอบด้วยโฟตอน ต่อมาได้มีการค้นพบสถานะควอนตัมของแสงที่ไม่เคยรู้จักมาก่อนซึ่งมีลักษณะแตกต่างจากสถานะคลาสสิก เช่นแสงบีบอัด (squeezed light )

การพัฒนาพัลส์เลเซอร์สั้นและสั้นมาก —ที่สร้างขึ้นโดย เทคนิค การสลับ Qและการล็อกโมเดล —เปิดทางให้กับการศึกษาสิ่งที่ต่อมาเรียกว่ากระบวนการอัลตร้าฟาสต์^{[ 1 ]}พบการประยุกต์ใช้ในการวิจัยสถานะของแข็ง (เช่นสเปกโทรสโกปีรามาน ) และมีการศึกษาแรงเชิงกลของแสงบนสสาร ซึ่งนำไปสู่การลอยตัวและจัดตำแหน่งกลุ่มอะตอมหรือแม้แต่ตัวอย่างทางชีวภาพขนาดเล็กในกับ ดักแสงหรือแหนบแสงโดยใช้ลำแสงเลเซอร์ สิ่งนี้ควบคู่ไปกับการทำความเย็นแบบดอปเปลอร์และการทำความเย็นแบบซิซิฟัสเป็นเทคโนโลยีที่สำคัญที่จำเป็นต่อการบรรลุการควบแน่นของโบส-ไอน์สไตน์อัน โด่งดัง

ผลลัพธ์ที่น่าทึ่งอื่นๆ ได้แก่การสาธิตการพันกันของควอนตัมการเทเลพอร์ตควอนตัมและเกตตรรกะควอนตัมซึ่งสิ่งเหล่านี้มีความน่าสนใจอย่างมากในทฤษฎีสารสนเทศควอนตัมซึ่งเป็นหัวข้อที่เกิดขึ้นบางส่วนจากทัศนศาสตร์ควอนตัม และบางส่วนจากวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ เชิง ทฤษฎี^{[ 2 ]}

ปัจจุบัน นักวิจัยด้านควอนตัมออปติกส์ให้ความสนใจในหัวข้อต่างๆ มากมาย เช่นการแปลงพาราเมตริกแบบลดทอน (parametric down-conversion ) , การสั่นแบบพาราเมตริก ( parametric oscillation ), พัลส์แสงที่สั้นกว่า (ระดับแอตโตวินาที), การใช้ควอนตัมออปติกส์สำหรับข้อมูลควอนตัม , การจัดการอะตอมเดี่ยว, คอนเดนเซตของโบส-ไอน์สไตน์ , การประยุกต์ใช้ และวิธีการจัดการคอนเดนเซตเหล่านั้น (สาขาย่อยที่มักเรียกว่าอะตอมออปติกส์ ), ตัวดูดซับที่สมบูรณ์แบบแบบโคherentและอื่นๆ อีกมากมาย หัวข้อต่างๆ ที่จัดอยู่ในกลุ่มควอนตัมออปติกส์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านวิศวกรรมและนวัตกรรมทางเทคโนโลยี มักถูกเรียกด้วยคำสมัยใหม่ว่าโฟโตนิกส์

มีการมอบ รางวัลโนเบลหลาย รางวัล สำหรับงานวิจัยด้านควอนตัมออปติก โดยมีรายชื่อการมอบรางวัลดังนี้:

• ในปี พ.ศ. 2540 Steven Chu , Claude Cohen-TannoudjiและWilliam Daniel Phillips " เพื่อการระบายความร้อนด้วยเลเซอร์" ^{[ 3 ]}
• ในปี พ.ศ. 2544 Wolfgang Ketterle , Eric Allin CornellและCarl Wieman "เพื่อการตรวจสอบเชิงทดลองของการควบแน่นของโบส-ไอน์สไตน์" ^{[ 4 ]}
• ในปี พ.ศ. 2548 Theodor W. Hänsch , Roy J. GlauberและJohn L. Hall "เพื่อการพัฒนาทฤษฎีควอนตัมของแสงและการพัฒนาเทคนิคการวัดความถี่แสง" ^{[ 5 ]}
• ในปี 2012 Serge HarocheและDavid J. Wineland ได้รับรางวัล "สำหรับวิธีการทดลองที่ก้าวล้ำซึ่งช่วยให้สามารถวัดและจัดการระบบควอนตัมแต่ละระบบได้" ^{[ 6 ]}
• ในปี 2022 Alain Aspect , John ClauserและAnton Zeilingerได้รับรางวัล "จากการทดลองกับโฟตอนที่พันกัน สร้างการละเมิดความไม่เท่าเทียมกันของเบลล์ และบุกเบิกวิทยาศาสตร์ข้อมูลควอนตัม" ^{[ 7 ]}

ตามทฤษฎีควอนตัมแสงอาจถือได้ว่าเป็นทั้งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและ "กระแส" ของอนุภาคที่เรียกว่าโฟตอนซึ่งเคลื่อนที่ด้วย ความเร็ว c ซึ่ง เป็นความเร็วแสงในสุญญากาศ อนุภาคเหล่านี้ไม่ควรถูกมองว่าเป็นลูกบิลเลียดแบบคลาสสิกแต่เป็นอนุภาคทางกลศาสตร์ควอนตัมที่อธิบายโดยฟังก์ชันคลื่นซึ่งแผ่กระจายไปทั่วบริเวณจำกัด

แต่ละอนุภาคมีพลังงานหนึ่งควอนตัม เท่ากับhfโดยที่hคือค่าคงที่ของพลังค์และfคือความถี่ของแสง พลังงานที่โฟตอนหนึ่งตัวมีนั้นสอดคล้องกับการเปลี่ยนผ่านระหว่างระดับพลังงานที่ไม่ต่อเนื่องในอะตอม (หรือระบบอื่น ๆ) ที่ปล่อยโฟตอนออกมา การดูดซับโฟตอนของวัสดุเป็นกระบวนการย้อนกลับ คำอธิบายของไอน์สไตน์เกี่ยวกับการปล่อยแสงโดยธรรมชาติยังทำนายถึงการมีอยู่ของการปล่อยแสงแบบกระตุ้นซึ่งเป็นหลักการพื้นฐาน ของ เลเซอร์อย่างไรก็ตาม การประดิษฐ์มาเซอร์ (และเลเซอร์) ในอีกหลายปีต่อมานั้นขึ้นอยู่กับวิธีการสร้าง การ ผกผัน ของประชากร

การใช้กลศาสตร์เชิงสถิติเป็นพื้นฐานสำคัญของแนวคิดในทัศนศาสตร์ควอนตัม: แสงถูกอธิบายในแง่ของตัวดำเนินการสนามสำหรับการสร้างและการทำลายโฟตอน ซึ่งก็คือในภาษาของควอนตัมอิเล็กโทรไดนามิกส์

สถานะหนึ่งของสนามแสงที่พบได้บ่อยคือสถานะโคฮีเรนต์ซึ่งEC George Sudarshan ได้แนะนำไว้ ในปี 1960 สถานะนี้สามารถใช้อธิบายเอาต์พุตของเลเซอร์ ความถี่เดียว ที่สูงกว่าเกณฑ์เลเซอร์ได้โดยประมาณ และแสดงสถิติจำนวนโฟตอน แบบปัวซง ผ่านปฏิสัมพันธ์ แบบไม่เชิงเส้น บางอย่าง สถานะโคฮีเรนต์สามารถเปลี่ยนเป็นสถานะโคฮีเรนต์แบบบีบอัดได้โดยการใช้ตัวดำเนินการบีบอัดซึ่งสามารถแสดง สถิติโฟตอน แบบซูเปอร์หรือซับปัวซงแสงดังกล่าวเรียกว่าแสงบีบอัด ด้านควอนตัมที่สำคัญอื่นๆ เกี่ยวข้องกับความสัมพันธ์ของสถิติโฟตอนระหว่างลำแสงต่างๆ ตัวอย่างเช่นการแปลงพาราเมตริกแบบเกิดขึ้นเองสามารถสร้างสิ่งที่เรียกว่า 'ลำแสงคู่' ซึ่ง (ในอุดมคติ) โฟตอนแต่ละตัวของลำแสงหนึ่งจะสัมพันธ์กับโฟตอนในลำแสงอื่น

อะตอมถือเป็นตัวสั่น เชิงกลควอนตัม ที่มีสเปกตรัมพลังงานแบบไม่ต่อเนื่อง โดยการเปลี่ยนผ่านระหว่างสถานะ พลังงานต่างๆ นั้นเกิดจากการดูดกลืนหรือการปล่อยแสงตามทฤษฎีของไอน์สไตน์

สำหรับสสารในสถานะของแข็ง เราใช้ แบบจำลอง แถบพลังงานของฟิสิกส์ของแข็งซึ่งมีความสำคัญต่อการทำความเข้าใจว่าแสงถูกตรวจจับได้อย่างไรโดยอุปกรณ์ของแข็ง ซึ่งมักใช้ในการทดลอง

อิเล็กทรอนิกส์ควอนตัมเป็นคำที่ใช้กันเป็นหลักระหว่างช่วงปี 1950 ถึง 1970 ^{[ 8 ]}เพื่อบ่งบอกถึงสาขาฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องกับผลกระทบของกลศาสตร์ควอนตัมต่อพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในสสาร รวมถึงปฏิสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนกับโฟ ตอน ปัจจุบัน คำนี้แทบจะไม่ถูกพิจารณาว่าเป็นสาขาย่อยโดยเฉพาะ และถูกรวมเข้ากับสาขาอื่นๆฟิสิกส์ของของแข็งมักจะคำนึงถึงกลศาสตร์ควอนตัม และโดยทั่วไปจะเกี่ยวข้องกับอิเล็กตรอน การประยุกต์ใช้กลศาสตร์ควอนตัมในอิเล็กทรอนิกส์ โดยเฉพาะนั้น ได้รับการวิจัยในสาขาฟิสิกส์ของสารกึ่งตัวนำคำนี้ยังครอบคลุมถึงกระบวนการพื้นฐานของ การทำงานของ เลเซอร์ซึ่งปัจจุบันได้รับการศึกษาเป็นหัวข้อหนึ่งในทัศนศาสตร์ควอนตัม การใช้คำนี้ทับซ้อนกับงานในช่วงแรกเกี่ยวกับปรากฏการณ์ควอนตัมฮอลล์และออโตมาตาเซลลูลาร์ควอนตัม

1. การเข้ารหัสควอนตัม (QKD) – การสื่อสารที่ปลอดภัยโดยใช้โฟตอนเดี่ยวและการพัวพัน (เช่นโปรโตคอล BB84 )
2. การคำนวณควอนตัมด้วยโฟตอน – การใช้โฟตอนเป็นคิวบิตเพื่อจัดเก็บและประมวลผลข้อมูลควอนตัม
3. การคำนวณควอนตัมด้วยไอออนดักจับ – ใช้เลเซอร์และสนามแม่เหล็กในการดักจับไอออนและประมวลผลข้อมูลควอนตัม
4. นาฬิกาอะตอม – นาฬิกาที่มีความแม่นยำที่สุดในโลก โดยใช้การเปลี่ยนแปลงทางแสงภายในอะตอม
5. อินเตอร์เฟอโรเมตรี – การวัดความยาว เวลา และความถี่อย่างแม่นยำ

• L. Mandel , E. Wolf ความสอดคล้องทางแสงและทัศนศาสตร์ค วอนตัม (เคมบริดจ์ 1995)
• DF WallsและGJ Milburn Quantum Optics (Springer 1994)
• Crispin GardinerและPeter Zoller , Quantum Noise (Springer 2004)
• HM Moya-Cessaและ F. Soto-Eguibar, Introduction to Quantum Optics (Rinton Press 2011)
• MO Scullyและ MS Zubairy Quantum Optics (Cambridge 1997)
• WP Schleich Quantum Optics in Phase Space (Wiley 2001)
• Kira, M.; Koch, SW (2011). ทัศนศาสตร์ควอนตัมของสารกึ่งตัวนำ . สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์. ISBN 978-0521875097.
• FJ Duarte (2014). ทัศนศาสตร์ควอนตัมสำหรับวิศวกร . นิวยอร์ก: CRC. ISBN 978-1439888537.

• บทนำสู่ทัศนศาสตร์ควอนตัมของสนามแสง
• สารานุกรมฟิสิกส์และเทคโนโลยีเลเซอร์เนื้อหาเกี่ยวกับทัศนศาสตร์ควอนตัม (โดยเฉพาะสัญญาณรบกวนควอนตัมในเลเซอร์) โดย รูดิเกอร์ ปาสชอตตา
• Qwiki – วิกิเกี่ยวกับฟิสิกส์ควอนตัมที่อุทิศให้กับการจัดหาแหล่งข้อมูลทางเทคนิคสำหรับนักฟิสิกส์ควอนตัมที่ทำงานจริง
• Quantiki ถูกเก็บถาวรเมื่อวันที่ 3 เมษายน 2010 ที่Wayback Machine – แหล่งข้อมูลออนไลน์ฟรีเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์ข้อมูลควอนตัมที่ทุกคนสามารถแก้ไขได้
• รายงานต่างๆ เกี่ยวกับทัศนศาสตร์ควอนตัมที่เก็บถาวรไว้เมื่อวันที่ 24 มกราคม 2019 ในWayback Machine