Óptica cuántica

La óptica cuántica es una rama de la física atómica, molecular y óptica que estudia cómo los cuantos de luz individuales, conocidos como fotones , interactúan con los átomos y las moléculas. Incluye el estudio de las propiedades de los fotones, similares a las de las partículas. Los fotones se han utilizado para poner a prueba muchas de las predicciones contraintuitivas de la mecánica cuántica , como el entrelazamiento y la teletransportación , y son un recurso útil para el procesamiento de la información cuántica .

La luz que se propaga en un volumen restringido de espacio tiene su energía y momento cuantizados de acuerdo con un número entero de partículas conocidas como fotones . La óptica cuántica estudia la naturaleza y los efectos de la luz como fotones cuantizados. El primer desarrollo importante que condujo a esa comprensión fue el modelado correcto del espectro de radiación del cuerpo negro por Max Planck en 1899 bajo la hipótesis de que la luz se emite en unidades discretas de energía. El efecto fotoeléctrico fue una prueba más de esta cuantización como lo explicó Albert Einstein en un artículo de 1905, un descubrimiento por el cual sería galardonado con el Premio Nobel en 1921. Niels Bohr demostró que la hipótesis de que la radiación óptica se cuantizaba correspondía a su teoría de los niveles de energía cuantizados de los átomos y, en particular, al espectro de emisión de descargas del hidrógeno . La comprensión de la interacción entre la luz y la materia después de estos desarrollos fue crucial para el desarrollo de la mecánica cuántica en su conjunto. Sin embargo, los subcampos de la mecánica cuántica que tratan la interacción materia-luz se consideraban principalmente como investigación sobre la materia en lugar de sobre la luz; Por eso en 1960 se hablaba más bien de física atómica y electrónica cuántica. La ciencia del láser —es decir, la investigación de los principios, el diseño y la aplicación de estos dispositivos— se convirtió en un campo importante, y la mecánica cuántica subyacente a los principios del láser se estudiaba ahora con más énfasis en las propiedades de la luz ^{[ dudoso – discutir ]} , y el nombre de óptica cuántica se volvió habitual.

Como la ciencia del láser necesitaba buenas bases teóricas, y también porque la investigación sobre estas pronto resultó muy fructífera, aumentó el interés en la óptica cuántica. Siguiendo el trabajo de Dirac en la teoría cuántica de campos , John R. Klauder , George Sudarshan , Roy J. Glauber y Leonard Mandel aplicaron la teoría cuántica al campo electromagnético en los años 1950 y 1960 para obtener una comprensión más detallada de la fotodetección y las estadísticas de la luz (véase grado de coherencia ). Esto condujo a la introducción del estado coherente como un concepto que abordaba las variaciones entre la luz láser, la luz térmica, los estados exóticos comprimidos , etc., ya que se entendió que la luz no puede describirse completamente solo haciendo referencia a los campos electromagnéticos que describen las ondas en la imagen clásica. En 1977, Kimble et al. demostraron un solo átomo que emite un fotón a la vez, lo que constituye una prueba más convincente de que la luz se compone de fotones. Posteriormente se descubrieron estados cuánticos de la luz previamente desconocidos con características diferentes a los estados clásicos, como la luz comprimida .

El desarrollo de pulsos láser cortos y ultracortos , creados mediante técnicas de conmutación Q y bloqueo de modelos , abrió el camino al estudio de lo que se conocería como procesos ultrarrápidos. Se encontraron aplicaciones para la investigación del estado sólido (por ejemplo, la espectroscopia Raman ) y se estudiaron las fuerzas mecánicas de la luz sobre la materia. Esto último llevó a levitar y posicionar nubes de átomos o incluso pequeñas muestras biológicas en una trampa óptica o pinzas ópticas mediante un rayo láser. Esto, junto con el enfriamiento Doppler y el enfriamiento Sisyphus , fue la tecnología crucial necesaria para lograr la célebre condensación de Bose-Einstein .

Otros resultados destacables son la demostración del entrelazamiento cuántico , la teletransportación cuántica y las puertas lógicas cuánticas . Estas últimas son de gran interés para la teoría de la información cuántica , un tema que surgió en parte de la óptica cuántica y en parte de la informática teórica . ^[1]

Los campos de interés actuales entre los investigadores de la óptica cuántica incluyen la conversión descendente paramétrica , la oscilación paramétrica , pulsos de luz aún más cortos (attosegundos), el uso de la óptica cuántica para la información cuántica , la manipulación de átomos individuales, los condensados ​​de Bose-Einstein , su aplicación y cómo manipularlos (un subcampo a menudo llamado óptica atómica ), absorbentes perfectos coherentes y mucho más. Los temas clasificados bajo el término de óptica cuántica, especialmente los aplicados a la ingeniería y la innovación tecnológica, a menudo se incluyen bajo el término moderno de fotónica .

Se han concedido varios premios Nobel por trabajos en óptica cuántica. Éstos fueron otorgados:

• En 2022, Alain Aspect , John Clauser y Anton Zeilinger "por experimentos con fotones entrelazados, estableciendo la violación de las desigualdades de Bell y siendo pioneros en la ciencia de la información cuántica". ^[2]
• En 2012, Serge Haroche y David J. Wineland “por métodos experimentales innovadores que permiten medir y manipular sistemas cuánticos individuales”. ^[3]
• en 2005, Theodor W. Hänsch , Roy J. Glauber y John L. Hall ^[4]
• en 2001, Wolfgang Ketterle , Eric Allin Cornell y Carl Wieman ^[5]
• En 1997, Steven Chu , Claude Cohen-Tannoudji y William Daniel Phillips para el enfriamiento por láser ^[6]

Según la teoría cuántica , la luz puede considerarse no sólo como una onda electromagnética , sino también como una "corriente" de partículas llamadas fotones , que viajan a c , la velocidad de la luz en el vacío. Estas partículas no deben considerarse como bolas de billar clásicas , sino como partículas mecánicas cuánticas descritas por una función de onda que se extiende sobre una región finita.

Cada partícula lleva un quantum de energía, igual a hf , donde h es la constante de Planck y f es la frecuencia de la luz. Esa energía que posee un solo fotón corresponde exactamente a la transición entre niveles de energía discretos en un átomo (u otro sistema) que emitió el fotón; la absorción material de un fotón es el proceso inverso. La explicación de Einstein de la emisión espontánea también predijo la existencia de la emisión estimulada , el principio en el que se basa el láser . Sin embargo, la invención real del máser (y del láser) muchos años después dependió de un método para producir una inversión de población .

El uso de la mecánica estadística es fundamental para los conceptos de la óptica cuántica: la luz se describe en términos de operadores de campo para la creación y aniquilación de fotones, es decir, en el lenguaje de la electrodinámica cuántica .

Un estado del campo de luz que se encuentra con frecuencia es el estado coherente , introducido por EC George Sudarshan en 1960. Este estado, que se puede utilizar para describir aproximadamente la salida de un láser de frecuencia única muy por encima del umbral láser, exhibe estadísticas de número de fotones de Poisson . A través de ciertas interacciones no lineales , un estado coherente se puede transformar en un estado coherente comprimido , aplicando un operador de compresión que puede exhibir estadísticas de fotones super o subpoissonianas . Este tipo de luz se denomina luz comprimida . Otros aspectos cuánticos importantes están relacionados con las correlaciones de las estadísticas de fotones entre diferentes haces. Por ejemplo, la conversión descendente paramétrica espontánea puede generar los llamados "haces gemelos", donde (idealmente) cada fotón de un haz está asociado con un fotón en el otro haz.

Los átomos se consideran osciladores mecánicos cuánticos con un espectro de energía discreto , y las transiciones entre los estados propios de energía son impulsadas por la absorción o emisión de luz según la teoría de Einstein.

Para la materia en estado sólido, se utilizan los modelos de bandas de energía de la física del estado sólido . Esto es importante para comprender cómo los dispositivos de estado sólido, que se utilizan habitualmente en experimentos, detectan la luz.

La electrónica cuántica es un término que se utilizó principalmente entre los años 1950 y 1970 ^[7] para denotar el área de la física que se ocupa de los efectos de la mecánica cuántica en el comportamiento de los electrones en la materia, junto con sus interacciones con los fotones . Hoy en día, rara vez se considera un subcampo por derecho propio, y ha sido absorbido por otros campos. La física del estado sólido regularmente tiene en cuenta la mecánica cuántica, y generalmente se ocupa de los electrones. Las aplicaciones específicas de la mecánica cuántica en la electrónica se investigan dentro de la física de semiconductores . El término también abarcó los procesos básicos del funcionamiento del láser , que hoy se estudia como un tema en la óptica cuántica. El uso del término se superpuso con el trabajo temprano sobre el efecto Hall cuántico y los autómatas celulares cuánticos .

• Gerry, Christopher; Knight, Peter (2004). Introducción a la óptica cuántica . Cambridge University Press. ISBN 052152735X.
• El Premio Nobel de Física 2005

• L. Mandel , E. Wolf Coherencia óptica y óptica cuántica (Cambridge 1995).
• DF Walls y GJ Milburn Óptica cuántica (Springer 1994).
• Crispin Gardiner y Peter Zoller , Ruido cuántico (Springer 2004).
• HM Moya-Cessa y F. Soto-Eguibar, Introducción a la óptica cuántica (Rinton Press 2011).
• MO Scully y MS Zubairy Óptica cuántica (Cambridge 1997).
• WP Schleich Óptica cuántica en el espacio de fases (Wiley 2001).
• Kira, M.; Koch, SW (2011). Óptica cuántica de semiconductores . Cambridge University Press. ISBN 978-0521875097.
• FJ Duarte (2014). Óptica cuántica para ingenieros . Nueva York: CRC. ISBN 978-1439888537.

Escuche este artículo ( 10 minutos )

Este archivo de audio se creó a partir de una revisión de este artículo con fecha del 11 de agosto de 2009 y no refleja ediciones posteriores. ( 11-08-2009 )

( Ayuda de audio  · Más artículos hablados )

• Introducción a la óptica cuántica del campo de luz
• Enciclopedia de física y tecnología láser, con contenidos sobre óptica cuántica (particularmente ruido cuántico en láseres), por Rüdiger Paschotta.
• Qwiki – una wiki de física cuántica dedicada a proporcionar recursos técnicos para físicos cuánticos en ejercicio.
• Quantiki: un recurso WWW de contenido libre sobre ciencia de la información cuántica que cualquiera puede editar.
• Diversos informes sobre óptica cuántica