Когда свет — это и волна, и частица
Квантовая оптика — раздел физики, где свет рассматривается не как непрерывная волна, а как поток квантов — фотонов. Это открывает явления, немыслимые в классической оптике: лазерное усиление, квантовая запутанность, однофотонные источники.
Фотон
Фотон — квант электромагнитного излучения. Его энергия: E = hν = hc/λ, где h — постоянная Планка, ν — частота, c — скорость света, λ — длина волны. Масса покоя фотона равна нулю, но он обладает импульсом: p = h/λ. Фотоны не стареют: с точки зрения фотона, испущенного звездой и пойманного нашим телескопом через миллионы лет, время вообще не течёт.
Спонтанное и вынужденное излучение
Атом, поглотив фотон, переходит на высокий энергетический уровень. Возврат в основное состояние — с излучением фотона. Спонтанное излучение: атом излучает в случайный момент и случайном направлении (обычный свет лампочки). Вынужденное излучение (Эйнштейн, 1917): падающий фотон «заставляет» возбуждённый атом излучить точно такой же фотон — той же частоты, фазы, направления и поляризации. Это принцип работы лазера.
Лазер
LASER — Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Компоненты: активная среда (газ, кристалл, полупроводник), насос (накачка энергии), резонатор (два зеркала). Инверсия населённостей: больше атомов в возбуждённом состоянии, чем в основном. Лавина вынужденного излучения → когерентный монохроматический луч. Применение: от сканеров штрих-кода до лазерной хирургии, лидаров и квантовых компьютеров.
Квантовая запутанность фотонов
Два фотона, испущённых в одном процессе, могут быть квантово запутаны: измерение поляризации одного мгновенно «определяет» поляризацию второго — независимо от расстояния. Эйнштейн называл это «жуткодействием на расстоянии». Белл (1964) показал, как проверить это экспериментально. Эксперименты Аспе (1982) и дальнейшие подтвердили: природа действительно нелокальна. Применение: квантовая криптография, квантовая телепортация состояний.
Однофотонные технологии
Современные детекторы фиксируют одиночные фотоны. Однофотонные источники (квантовые точки, алмазные NV-центры) — строительные блоки квантовых компьютеров и квантовых сетей. Квантовая оптика превратилась из фундаментальной науки в основу квантовых технологий XXI века.