אופטיקה קוונטית
היסטוריה

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, תאודור הנש, רוי גלאובר וג'ון הול
ב-2001, וולפגנג קטרלה, אריק קורנל וקארל וימן
ב-1997, סטיבן צ'ו, קלוד כהן-טנוג'י וויליאם פיליפס