אופטיקה קוונטית

אופטיקה קוונטית (באנגלית: Quantum optics, בראשי תיבות: QO) היא תחום מחקר בפיזיקה המשתמש בפיזיקה סמי־קלאסית ומכניקת הקוונטים כדי לחקור תופעות הכוללות אור בצורתו הקוונטית הבדידה הידועה בשם פוטון ואינטראקציות שלו עם החומר ברמות תת־מיקרוסקופיות. היישומים של האופטיקה הקוונטית כוללים לייזרים, אינפורמציה קוונטית, טלפורטציה קוונטית, שזירה קוונטית, פוטוניקה ועוד. לאור המתפשט בחלל הריק יש אנרגיה ותנע המכומתים לפי מספר שלם של חלקיקים הידועים בשם פוטונים. האופטיקה הקוונטית בוחנת את הטבע והתופעות של האור כפוטונים מקוונטטים. ההתפתחות העיקרית הראשונה שהובילה להבנה זו היה המודל הנכון של ספקטרום הקרינה של גוף שחור על ידי מקס פלאנק בשנת 1899 תחת ההשערה שהאור נפלט ביחידות בדידות של אנרגיה. גילוי האפקט הפוטואלקטרי הפיק עדות נוספת לקוונטיזציה זו, כפי שהוסבר על ידי איינשטיין במאמר משנת 1905, תגלית שעבורה הוענק לו פרס נובל ב -1921. נילס בוהר הראה כי ההנחה שקרינה אופטית היא מקוונטטת תואמת את התאוריה שלו על רמות האנרגיה המקוונטטות של האטומים, ואת ספקטרום הפליטה מאטום המימן בפרט. ההבנה של יחסי הגומלין בין האור והחומר בעקבות ההתפתחויות הללו הייתה הכרחית להתפתחות מכניקת הקוונטים בכללותה. עם זאת, תתי-התחומים של מכניקת הקוונטים העוסקים באינטראקציה של חומר-אור נחשבו בעיקר כמחקר על חומר ולא על אור ולכן דובר על פיזיקה אטומית ואלקטרוניקה קוונטית בשנת 1960. מדע הלייזר - כלומר, מחקר על עקרונות, תכנון ויישום של מכשירים אלה - הפך לתחום חשוב, ומכניקת הקוונטים העומדת ביסוד עקרונות הלייזר נחקרה כעת עם דגש רב יותר על תכונות האור, והשם אופטיקה קוונטית נעשה מקובל. כאשר מדע הלייזר נזקק ליסודות תאורטיים טובים, וגם בגלל שהמחקר בתחום זה הניב פירות רבים, העניין באופטיקה קוונטית עלה. בעקבות עבודתו של דיראק בתורת השדות הקוונטית, הפיזיקאים ג'ורג' סודרשאן, רוי גלאובר, ולאונרד מנדל החלו להשתמש בתורת הקוונטים למחקר בנושא השדה האלקטרומגנטי בשנות ה-50 ו ה-60 כדי לקבל הבנה מפורטת יותר של גילוי אור ואת הסטטיסטיקה של האור (דרגת הקוהרנטיות). זה הוביל להצגת המצב קוהרנטי כמושג אשר מטפל בשוני בין אור לייזר, אור תרמי, מצב קוהרנטי מכווץ, וכו' כפי שהובן כי אור לא ניתן לתאר באופן מלא רק בהתייחסות לשדות אלקטרומגנטיים המתארים את הגלים בתמונה הקלאסית. בשנת 1977, ג'ף קימבל הדגים אטום יחיד הפולט פוטון אחד בכל פעם, עוד ראיה משכנעת כי האור מורכב מפוטונים. מצבים קוונטיים לא ידועים קודמים עם מאפיינים שלא כמו מצבים קלאסיים, כגון אור מכווץ התגלו לאחר מכן. פיתוח של פולסים קצרים ואולטרה-קצרים בלייזר, שנוצרו על ידי טכניקות כמו Q-Switch ונעילת אופנים, פותחים את הדרך ללימוד מה שנודע כ"תהליכים אולטרא מהירים". יישומים למחקר מצב מוצק (למשל ספקטרוסקופיית רמאן) נמצאו, וכוחות מכניים של האור על החומר נחקרו. מחקר זה הוביל להדגמת ריחוף ומיצוב עננים של אטומים או אפילו דגימות ביולוגיות קטנות בתוך מלקחיים אופטיים או מלכודת אופטית על ידי קרן לייזר. זה, יחד עם קירור דופלר, הייתה הטכנולוגיה החיונית לצורך השגת עיבוי בוז-איינשטיין המפורסם. תוצאות אחרות הראויות הן ההדגמה של שזירה קוונטית, טלפורטציה קוונטית ושערים לוגיים קוונטיים. נושאים אילו הם בעלי עניין רב בתורת האינפורמציה הקוונטית, נושא שהופיע בחלקו מתוך האופטיקה הקוונטית, ובחלקו מתוך מדעי המחשב התאורטיים. תחומי העניין של היום בין מחקרי האופטיקה הקוונטית כוללים המרה פרמטרית ספונטנית למטה, תנודות פרמטריות, אפילו פולסים קצרים יותר (אטו שניות), שימוש באופטיקה קוונטית למחקר על אינפורמציה קוונטית, מניפולציה של אטומים בודדים כגון ננוטכנולוגיה וננופוטוניקה, עיבוי בוז-איינשטיין, יישומיהם וכיצד ניתן לתמרן אותם (תת-תחום המכונה לעיתים קרובות אופטיקה אטומית), סופג קוהרנטי מושלם ועוד. נושאים המסווגים תחת המונח של אופטיקה קוונטית, במיוחד כאשר מיושם בחדשנות הנדסית וטכנולוגית, לעיתים קרובות נכללים תחת המונח המודרני פוטוניקה. מספר פרסי נובל הוענקו לעבודה באופטיקה קוונטית: ב-2012, סרז' הרוש ודייוויד וינלנד "עבור פריצת דרך בפיתוח שיטות ניסיוניות המאפשרות מדידה ומניפולציה של מערכות קוונטיות בודדות" ב-2005, תיאודור האנש, רוי גלאובר וג'ון הול ב-2001, וולפגנג קטרלה, אריק קורנל וקארל וימן ב-1997, סטיבן צ'ו, קלוד כהן-טנוג'י וויליאם פיליפס לפי תורת הקוונטים ובפרט הנושא של דואליות גל-חלקיק, האור עשוי להיחשב לא רק כגל אלקטרו-מגנטי, אלא גם כ"זרם" של חלקיקים הנקראים פוטונים הנעים במהירות C, מהירות הוואקום של האור. חלקיקים אלה לא צריכים להיחשב ככדורי ביליארד קלאסיים, אלא כמו חלקיקים מכניים קוונטיים המתוארים על ידי פונקציות גל המתפשטות באזור סופי. כל חלקיק נושא קוונטום אחד של אנרגיה, שווה ל- hf, כאשר h הוא קבוע פלאנק ו- f הוא תדירות האור. אנרגיה זו של פוטון יחיד מתאימה בדיוק למעבר בין רמות אנרגיה נפרדות באטום (או מערכת אחרת) שפלטו את הפוטון; בליעה של הפוטון בחומר היא התהליך ההפוך. ההסבר של איינשטיין לפליטה ספונטנית גם ניבא את קיומה של פליטה מאולצת, העיקרון שעליו  מבוסס הלייזר. עם זאת, ההמצאה בפועל של המייזר (ולייזר) שנים רבות לאחר מכן היה תלוי בשיטה להפקת היפוך אוכלוסייה. השימוש במכניקה סטטיסטית הוא אבן יסוד לעקרונות של אופטיקה קוונטית: אור מתואר במונחים של אופרטור שדה עבור יצירה והשמדה של פוטונים כמתואר באלקטרודינמיקה קוונטית. מצב שכיח של שדה האור הוא מצב קוהרנטי, כפי שהציג ג'ורג' סודרשאן בשנת 1960. מצב זה, אשר ניתן להשתמש בו כדי לתאר את התפוקה של לייזר בתדר יחיד גם מעל סף הלייזר, מציג פואסוניאן של מספר הפוטונים. באמצעות אינטראקציות לא ליניאריות מסוימות, מצב קוהרנטי יכול להפוך למצב קוהרנטי מכווץ, על ידי הפעלת אופרטור כיווץ אשר יכול להציג נתונים פוטוניים בהתפלגות סופר פואסונית. אור כזה נקרא אור מכווץ. היבטים קוונטיים חשובים אחרים קשורים לקורלציות של הסטטיסטיקה הפוטונית בין אלומות שונות. לדוגמה, המרה פרמטרית ספונטנית למטה יכולה ליצור מה שנקרא "אלומות תאומות", כאשר (אידיאלית) כל פוטון של אלומה אחת שזור עם פוטון באלומה אחרת. האטומים נחשבים כמתנדים מכניים קוונטיים בעלי רמות אנרגיה בדידות, כאשר המעברים בין מצבי האנרגיה העצמיים מונעים על ידי קליטת או פליטת אור על פי התאוריה של איינשטיין. עבור חומר מצב מוצק, משתמשים במודלים של פסי אנרגיה מפיזיקה של מצב מוצק. זה חשוב להבנה איך האור נקלט על ידי התקני מצב מוצק, המשמשים כחיישנים במגוון מערכות ובהן מצלמות דיגיטליות. אלקטרוניקה קוונטית הוא מונח ששימש בעיקר בין שנות החמישים והשבעים כדי לציין את תחום הפיזיקה שעוסק בהשפעות מכניקת הקוונטים על התנהגות האלקטרונים בחומר, יחד עם האינטראקציה שלהם עם פוטונים. כיום, הוא נחשב לעיתים נדירות לתחום משנה בפני עצמו, והוא נספג בתחומים אחרים. פיזיקה של מצב מוצק לוקחת בחשבון את מכניקת הקוונטים, והיא עוסקת בדרך כלל באלקטרונים. יישומים ספציפיים של מכניקת הקוונטים באלקטרוניקה נחקרת בתוך פיזיקה של מוליכים למחצה. המונח גם הקיף את התהליכים הבסיסיים של פעולת הלייזר, שנלמד כיום כנושא באופטיקה קוונטית. השימוש במונח חפף עבודה מוקדמת על אפקט הול הקוונטי ואוטומציה סלולרית קוונטית. אופטיקה פוטוניקה P. Meystre and M. Sergeant III "Elements of Quantum Optics" Springer, Berlin (1999) Leonard Mandel, Emil Wolf Optical Coherence and Quantum Optics (Cambridge 1995) Daniel Frank Walls and G. J. Milburn Quantum Optics (Springer 1994) C. W. Gardiner and Peter Zoller, Quantum Noise, (Springer 2004). Héctor Manuel Moya Cessa and F. Soto-Eguibar, Introduction to Quantum Optics (Rinton Press 2011). Marlan O. Scully and  Muhammad Suhail Zubairy Quantum Optics (Cambridge 1997) Wolfgang P. Schleich Quantum Optics in Phase Space (Wiley 2001) Kira, M.; Koch, S. W. (2011). Semiconductor Quantum Optics. Cambridge University Press. ISBN 978-0521875097. F. J. Duarte (2014). Quantum Optics for Engineers. New York: CRC. ISBN 978-1439888537. מדיה וקבצים בנושא אופטיקה קוונטית בוויקישיתוף מצבים קוונטים של אור קורס באופטיקה קוונטית באתר קורסרה Quantum Optics - Roy Glauber, סרטון באתר יוטיוב (אורך: 14:07) אופטיקה קוונטית, דף שער בספרייה הלאומית Gerry, Christopher; Knight, Peter, Introduction to Quantum Optics, Cambridge University Press, 2004, ISBN 052152735X The Nobel Prize in Physics 2012, www.nobelprize.org The Nobel Prize in Physics 2005, www.nobelprize.org The Nobel Prize in Physics 2001, www.nobelprize.org The Nobel Prize in Physics 1997, www.nobelprize.org