量子光学とは

ニックス/ゲッティイメージズ

量子光学は 量子物理学 の相互作用を具体的に扱う 光子 問題あり。個々の光子の研究は、電磁波全体の挙動を理解する上で非常に重要です。

これが何を意味するのかを明確にするために、「量子」という言葉は、他のエンティティと相互作用できる最小量の物理エンティティを指します。したがって、量子物理学は最小の粒子を扱います。これらは、独自の方法で動作する信じられないほど小さな亜原子粒子です。

物理学における「光学」という言葉は、光の研究を指します。光子は光の最小の粒子です (ただし、光子は粒子としても波としても振る舞うことができることを知っておくことは重要です)。

量子光学と光の光子理論の発展

光が個別の束 (つまり、光子) で移動するという理論は、1900 年の紫外線の大惨事に関するマックス プランクの論文で提示されました。 黒体放射 . 1905 年、アインシュタインは、これらの原則を拡張して、 光電効果 光の光子理論を定義する。

量子物理学は、主に光子と物質がどのように相互作用し、相互に関係しているかを理解する作業を通じて、20 世紀の前半に発展しました。しかし、これは、問題の研究には光よりも多くのことが関係していると見なされていました。

1953 年にメーザー (コヒーレントなマイクロ波を放出) が開発され、1960 年に レーザ （コヒーレントな光を放ちます）。これらのデバイスに含まれる光の特性がより重要になるにつれて、量子光学はこの専門的な研究分野の用語として使用されるようになりました。

所見

量子光学 (および量子物理学全体) は、電磁放射を波と粒子の両方の形で同時に移動すると見なします。この現象を 波動粒子双対性 .

これがどのように機能するかについての最も一般的な説明は、光子が粒子の流れの中で移動するというものですが、これらの粒子の全体的な動作は、 量子波動関数 これは、粒子が特定の時間に特定の場所にある確率を決定します。

量子電気力学 (QED) から得られた知見を利用して、場の演算子によって記述された光子の生成と消滅の形で量子光学を解釈することも可能です。このアプローチにより、光の挙動を分析するのに役立つ特定の統計的アプローチを使用できますが、それが物理的に起こっていることを表しているかどうかは議論の余地があります (ただし、ほとんどの人はそれを単なる有用な数学モデルと見なしています)。

アプリケーション

レーザー (およびメーザー) は、量子光学の最も明白なアプリケーションです。これらのデバイスから放射される光はコヒーレント状態にあり、これは光が古典的な正弦波に非常に似ていることを意味します。このコヒーレント状態では、量子力学的波動関数 (したがって、量子力学的不確実性) は均等に分散されます。したがって、レーザーから放射される光は高度に秩序化されており、一般に本質的に同じエネルギー状態 (したがって同じ周波数と波長) に制限されます。