La óptica cuántica es una rama de la física atómica, molecular y óptica que se ocupa de cómo los cuantos individuales de luz, conocidos como fotones , interactúan con los átomos y las moléculas. Incluye el estudio de las propiedades de los fotones como partículas. Los fotones se han utilizado para probar muchas de las predicciones contraintuitivas de la mecánica cuántica , como el entrelazamiento y el teletransporte , y son un recurso útil para el procesamiento de información cuántica .
La energía y el impulso de la luz que se propaga en un volumen restringido de espacio se cuantifican según un número entero de partículas conocidas como fotones . La óptica cuántica estudia la naturaleza y los efectos de la luz como fotones cuantificados. El primer avance importante que condujo a esa comprensión fue el modelado correcto del espectro de radiación del cuerpo negro por Max Planck en 1899 bajo la hipótesis de que la luz se emite en unidades discretas de energía. El efecto fotoeléctrico fue una prueba más de esta cuantificación, como lo explicó Albert Einstein en un artículo de 1905, descubrimiento por el que recibió el Premio Nobel en 1921. Niels Bohr demostró que la hipótesis de la cuantificación de la radiación óptica correspondía a su teoría de los niveles de energía cuantificados de los átomos y, en particular, el espectro de emisión de descarga del hidrógeno . La comprensión de la interacción entre la luz y la materia tras estos avances fue crucial para el desarrollo de la mecánica cuántica en su conjunto. Sin embargo, los subcampos de la mecánica cuántica que se ocupan de la interacción materia-luz se consideraban principalmente investigaciones sobre la materia más que sobre la luz; de ahí que en 1960 se hablara más bien de física atómica y electrónica cuántica . La ciencia del láser (es decir, la investigación de los principios, el diseño y la aplicación de estos dispositivos) se convirtió en un campo importante, y la mecánica cuántica subyacente a los principios del láser se estudió ahora con más énfasis en la propiedades de la luz [ dudoso ] , y el nombre de óptica cuántica se volvió habitual.
Como la ciencia del láser necesitaba buenos fundamentos teóricos y también porque la investigación sobre estos pronto resultó muy fructífera, aumentó el interés por la óptica cuántica. Siguiendo el trabajo de Dirac en la teoría cuántica de campos , John R. Klauder , George Sudarshan , Roy J. Glauber y Leonard Mandel aplicaron la teoría cuántica al campo electromagnético en las décadas de 1950 y 1960 para obtener una comprensión más detallada de la fotodetección y las estadísticas de luz (ver grado de coherencia ). Esto llevó a la introducción del estado coherente como un concepto que abordaba las variaciones entre la luz láser, la luz térmica, los estados exóticos comprimidos , etc., ya que se entendió que la luz no se puede describir completamente simplemente refiriéndose a los campos electromagnéticos que describen las ondas en el modo clásico. imagen. En 1977, Kimble et al. demostró que un solo átomo emite un fotón a la vez, lo que constituye una prueba más convincente de que la luz se compone de fotones. Posteriormente se descubrieron estados cuánticos de luz previamente desconocidos con características diferentes a los estados clásicos, como la luz comprimida .
El desarrollo de pulsos láser cortos y ultracortos , creados mediante técnicas de conmutación Q y modelado , abrió el camino al estudio de lo que se conoció como procesos ultrarrápidos. Se encontraron aplicaciones para la investigación del estado sólido (p. ej., espectroscopia Raman ) y se estudiaron las fuerzas mecánicas de la luz sobre la materia. Esto último llevó a levitar y posicionar nubes de átomos o incluso pequeñas muestras biológicas en una trampa óptica o pinzas ópticas mediante un rayo láser. Esto, junto con el enfriamiento Doppler y el enfriamiento de Sísifo , fue la tecnología crucial necesaria para lograr la célebre condensación de Bose-Einstein .
Otros resultados notables son la demostración del entrelazamiento cuántico , la teletransportación cuántica y las puertas lógicas cuánticas . Estos últimos son de gran interés en la teoría de la información cuántica , un tema que surgió en parte de la óptica cuántica y en parte de la informática teórica . [1]
Los campos de interés actuales entre los investigadores de óptica cuántica incluyen la conversión descendente paramétrica , la oscilación paramétrica , pulsos de luz aún más cortos (attosegundos), el uso de la óptica cuántica para obtener información cuántica , la manipulación de átomos individuales, los condensados de Bose-Einstein , su aplicación y cómo manipularlos. ellos (un subcampo a menudo llamado óptica atómica ), absorbentes perfectos coherentes y mucho más. Los temas clasificados bajo el término de óptica cuántica, especialmente los aplicados a la ingeniería y la innovación tecnológica, a menudo se denominan fotónica moderna .
Se han concedido varios premios Nobel por trabajos en óptica cuántica. Estos fueron premiados:
Según la teoría cuántica , la luz puede considerarse no sólo como una onda electromagnética sino también como una "corriente" de partículas llamadas fotones que viajan con c , la velocidad de la luz en el vacío . Estas partículas no deben considerarse bolas de billar clásicas , sino partículas de la mecánica cuántica descritas por una función de onda distribuida en una región finita.
Cada partícula transporta un cuanto de energía, igual a hf , donde h es la constante de Planck y f es la frecuencia de la luz. Esa energía que posee un solo fotón corresponde exactamente a la transición entre niveles de energía discretos en un átomo (u otro sistema) que emitió el fotón; La absorción material de un fotón es el proceso inverso. La explicación de Einstein sobre la emisión espontánea también predijo la existencia de la emisión estimulada , principio sobre el que se basa el láser . Sin embargo, la invención real del máser (y del láser) muchos años después dependió de un método para producir una inversión de población .
El uso de la mecánica estadística es fundamental para los conceptos de la óptica cuántica: la luz se describe en términos de operadores de campo para la creación y destrucción de fotones, es decir, en el lenguaje de la electrodinámica cuántica .
Un estado del campo luminoso que se encuentra con frecuencia es el estado coherente , introducido por EC George Sudarshan en 1960. Este estado, que puede usarse para describir aproximadamente la salida de un láser de frecuencia única muy por encima del umbral del láser, exhibe un número de fotones poissonianos . Estadísticas. A través de ciertas interacciones no lineales , un estado coherente se puede transformar en un estado coherente comprimido , aplicando un operador de compresión que puede exhibir estadísticas de fotones super o subpoissonianas . Esta luz se llama luz comprimida . Otros aspectos cuánticos importantes están relacionados con las correlaciones de las estadísticas de fotones entre diferentes haces. Por ejemplo, la conversión descendente paramétrica espontánea puede generar los llamados "haces gemelos", donde (idealmente) cada fotón de un haz está asociado con un fotón del otro haz.
Los átomos se consideran osciladores de mecánica cuántica con un espectro de energía discreto , y las transiciones entre los estados propios de energía son impulsadas por la absorción o emisión de luz según la teoría de Einstein.
Para la materia en estado sólido, se utilizan los modelos de bandas de energía de la física del estado sólido . Esto es importante para comprender cómo detectan la luz los dispositivos de estado sólido, comúnmente utilizados en experimentos.
Electrónica cuántica es un término que se utilizó principalmente entre los años 1950 y 1970 [7] para designar el área de la física que se ocupa de los efectos de la mecánica cuántica sobre el comportamiento de los electrones en la materia, junto con sus interacciones con los fotones . Hoy en día, rara vez se lo considera un subcampo por derecho propio y ha sido absorbido por otros campos. La física del estado sólido tiene en cuenta regularmente la mecánica cuántica y, por lo general, se ocupa de los electrones. Se investigan aplicaciones específicas de la mecánica cuántica en la electrónica dentro de la física de semiconductores . El término también englobaba los procesos básicos del funcionamiento del láser , que hoy se estudia como tema de la óptica cuántica. El uso del término se superpuso a los primeros trabajos sobre el efecto Hall cuántico y los autómatas celulares cuánticos .
