Kvantna optika je področje kvantna fizika ki se posebej ukvarja z interakcijo fotoni z materijo. Preučevanje posameznih fotonov je ključnega pomena za razumevanje vedenja elektromagnetnih valov kot celote.
Da bi natančno pojasnili, kaj to pomeni, se beseda "kvant" nanaša na najmanjšo količino fizičnega subjekta, ki lahko deluje z drugo entiteto. Kvantna fizika se torej ukvarja z najmanjšimi delci; to so neverjetno drobni delci atoma, ki se obnašajo na svojevrsten način.
Beseda "optika" se v fiziki nanaša na preučevanje svetlobe. Fotoni so najmanjši delci svetlobe (čeprav je pomembno vedeti, da se fotoni lahko obnašajo tako kot delci kot valovi).
Razvoj kvantne optike in fotonske teorije svetlobe
Teorija, da se je svetloba premikala v diskretnih svežnjih (t.j. fotoni), je bila predstavljena v prispevku Maxa Plancka iz leta 1900 o ultravijolični katastrofi v črno telesno sevanje. Leta 1905 je Einstein na teh načelih razširil svoje razlago fotoelektrični učinek za določitev fotonske teorije svetlobe.
Kvantna fizika se je razvila v prvi polovici dvajsetega stoletja večinoma z delom na našem razumevanju, kako se fotoni in materija medsebojno povezujejo in med seboj povezujejo. To pa je bilo obravnavano kot preučevanje zadeve, ki je vključevala več kot luč.
Leta 1953 je bil razvit maser (ki je oddajal koherentne mikrovalovne pečice), leta 1960 pa laser (ki oddaja koherentno svetlobo). Ker je lastnost svetlobe, vključene v te naprave, postala pomembnejša, se je kvantna optika začela uporabljati kot izraz za to specializirano študijsko področje.
Ugotovitve
Kvantna optika (in kvantna fizika kot celota) gleda na elektromagnetno sevanje kot na potovanje v obliki vala in delcev hkrati. Ta pojav se imenuje dvojnost valovnih delcev.
Najpogostejša razlaga, kako to deluje, je, da se fotoni gibljejo v toku delcev, splošno vedenje teh delcev pa določa kvantna valovna funkcija ki določa verjetnost, da bodo delci v določenem času na določenem mestu.
Na podlagi ugotovitev kvantne elektrodinamike (QED) je mogoče tudi kvantno optiko razlagati v obliki ustvarjanja in uničevanja fotonov, ki so jih opisali operaterji polja. Ta pristop omogoča uporabo nekaterih statističnih pristopov, ki so uporabni pri analizi obnašanja svetlobe, pa čeprav predstavlja, kaj se fizično dogaja, je stvar neke razprave (čeprav večina ljudi meni, da je to le koristno matematično model).
Prijave
Laserji (in maserji) so najbolj očitna uporaba kvantne optike. Svetloba, ki jo oddajajo te naprave, je v koherentnem stanju, kar pomeni, da svetloba močno spominja na klasični sinusoidni val. V tem koherentnem stanju se kvantno mehanska valovna funkcija (in s tem kvantna mehanska negotovost) porazdeli enakomerno. Svetloba, ki jo oddaja laser, je zato zelo urejena in na splošno omejena na v bistvu enako energijsko stanje (in s tem na isto frekvenco in valovno dolžino).