Κβαντική οπτική

Η κβαντική οπτική αποτελεί πεδίο της φυσικής που μελετά την κβαντομηχανική συμπεριφορά του φωτός όπως επίσης και την αλληλεπίδραση της με την ύλη.

Ιστορία της κβαντικής οπτικής

Το φως αποτελείται από διακριτά σωματίδια (είναι δηλαδή κβαντωμένο) τα οποία ονομάζονται φωτόνια. Η πρώτη ένδειξη ότι το φως μπορεί να είναι κβαντωμένο προήλθε από τον Μαξ Πλανκ το 1899, όταν για να ερμηνεύσει την ακτινοβολία μελανού σώματος θεώρησε ότι η ανταλλαγή ενέργειας μεταξύ φωτός και ύλης γίνεται μόνο σε διακριτές ποσότητες που αποκάλεσε κβάντα (quanta). Ήταν άγνωστο αν το αίτιο της διακριτοποίησης ήταν η ύλη ή το φως, μέχρι το 1905 όταν ο Άλμπερτ Αϊνστάιν δημοσίευσε την θεωρία του φωτοηλεκτρικού φαινομένου. Σύμφωνα με αυτή, το φαινόμενο μπορούσε να ερμηνευθεί αν θεωρούνταν ότι το φως αποτελείται από σωματίδια τα οποία τα ονόμασε φωτόνια. Αργότερα ο Μπορ έδειξε ότι ακόμα και οι τροχιές των ηλεκτρονίων στα άτομα είναι διακριτές (κβαντισμένες), με αποτέλεσμα να εκπέμπουν διακριτές ποσότητες ορισμένης ενέργειας (φωτόνια) κατά τις μεταπτώσεις από τη μια τροχιά στην άλλη. Η κατανόηση των διαδικασιών αλληλεπίδρασης μεταξύ του φωτός και της ύλης όχι μόνο διαμόρφωσαν τις βάσεις της κβαντικής οπτικής αλλά ήταν καθορίστηκες για την διαμόρφωση της κβαντικής φυσικής συνολικά. Αρχικά όμως, το κύριο βάρος της κβαντομηχανικής περιγραφής της αλληλεπίδρασης φωτός-ύλης δόθηκε στην έρευνα της ύλης παρά του φωτός.
Η κατάσταση άλλαξε με την εφεύρεση του μέιζερ (maser) το 1953 και του λέιζερ (laser) το 1960. Η επιστήμη των λέιζερ αποτέλεσε σημαντικό πεδίο όπου η κβαντομηχανική μελετήθηκε με έμφαση στις ιδιότητες του φωτός, με αποτέλεσμα ο όρος κβαντική οπτική να αρχίσει να χρησιμοποιείται ευρέως.
Η επιστήμη των λέιζερ απαιτούσε την ύπαρξη ισχυρού θεωρητικού υποβάθρου. Η κβαντική θεωρία πεδίου του Ντιράκ (Dirac)αποτέλεσε την θεωρητική βάση . Ακολούθησε η κβαντική θεωρία του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου (George Sudarshan, Roy J. Glauber, και Leonard Mandel) κατά τις δεκαετίες του 1950 και 1960. Στην θεωρία αυτή εμφανίστηκε ο όρος των σύμφωνων καταστάσεων για την κβαντική περιγραφή του φωτός, αφού προέκυψε ότι κάποιες καταστάσεις του φωτός δεν μπορούν να περιγραφούν κλασικά. Το 1977 η ερευνητική ομάδα του Kimble παρουσίασε την πρώτη πηγή φωτός που απαιτούσε κβαντομηχανική περιγραφή. Αυτή δεν ήταν τίποτε άλλο από ένα μόνο άτομο το οποίο εκπέμπει ένα φωτόνιο τη φορά, η οποία αποτέλεσε και την πρώτη άμεση απόδειξη ότι το φως αποτελείται από φωτόνια. Την ίδια περίοδο η δημιουργία υπερβραχέων παλμών λέιζερ άνοιξε τον δρόμο για την μελέτη των υπερταχέων ατομικών και μοριακών διαδικασιών. Η ανάπτυξη της τεχνολογίας των λέιζερ είχε ως αποτέλεσμα την πραγματοποίηση πειραμάτων όπου επιτεύχθηκε παγίδευση νεφών ατόμων σε οπτικές παγίδες (optical traps, optical tweezers). Η εξέλιξή αυτή καθώς και η ανάπτυξη της τεχνικής της ψύξης Ντόπλερ είχε ως αποτέλεσμα την επίτευξη της συμπύκνωσης Bose-Einstein (Bose-Einstein condensation), η οποία αποτελεί την πέμπτη κατάσταση της ύλης (στερεή, υγρή, αέρια, πλάσμα και συμπύκνωση Bose-Einstein).
Κάποιες επιπλέον σημαντικές εξελίξεις είναι η επίτευξη κβαντικού εναγκαλισμού (quantum entanglement) και κβαντικής τηλεμεταφοράς (quantum teleportation), και η κατασκευή κβαντικών λογικών πυλών (quantum logic gates). Οι εξελίξεις αυτές ενδιαφέρουν ιδιαίτερα το πεδίο της κβαντικής θεωρίας πληροφορίας (ή κβαντικής υπολογιστικής), η οποία συνδυάζει στοιχεία από την κβαντική οπτική και την πληροφορική.
Εκτός από τα πεδία που αναφέρθηκαν παραπάνω, ιδιαίτερο ερευνητικό ενδιαφέρον σήμερα παρουσιάζουν τα πεδία της παραμετρικής ταλάντωσης, της παραγωγής ακόμα βραχύτερων παλμών λέιζερ (attosecond), της κβαντικής πληροφορικής, του ελέγχου ενός μόνο ατόμου κ.α.
Η έρευνα στην περιοχή της κβαντικής οπτικής που έχει ως σκοπό την χρήση φωτονίων για τη μεταφορά και επεξεργασία της πληροφορίας καλείται φωτονική κατά αντιστοιχία των όρων ηλεκτρόνιο και ηλεκτρονική.