אופטיקה קוונטית: איך פוטונים של אור מתקשרים עם חומר

אופטיקה קוונטית היא תחום של פיזיקה קוונטית העוסק באופן ספציפי באינטראקציה של פוטונים עם החומר. המחקר של פוטונים בודדים הוא קריטי להבנת התנהגותם של גלים אלקטרומגנטיים בכללותם.

כדי להבהיר בדיוק מה פירוש הדבר, המילה "קוונטי" מתייחסת לכמות הקטנה ביותר של כל ישות פיזית שיכולה לקיים אינטראקציה עם ישות אחרת. לפיזיקה הקוונטית, אפוא, עוסקת בחלקיקים הקטנים ביותר; אלה חלקיקים תת אטומיים זעירים להפליא שמתנהגים בדרכים ייחודיות.

המילה "אופטיקה", בפיזיקה, מתייחסת לחקר האור. פוטונים הם חלקיקי האור הקטנים ביותר (אם כי חשוב לדעת שפוטונים יכולים להתנהג כחלקיקים וגם כגלים).

התיאוריה לפיה האור נע בצרורות נפרדים (כלומר פוטונים) הוצג במאמרו של מקס פלאנק משנת 1900 על הקטסטרופה האולטרה סגולה ב- קרינת גוף שחור. בשנת 1905 הרחיב איינשטיין על עקרונות אלה בהסברו בנושא אפקט פוטואלקטרי להגדרת תורת הפוטון של האור.

הפיזיקה הקוונטית התפתחה במהלך המחצית הראשונה של המאה העשרים, בעיקר בעבודה על הבנתנו כיצד אינטראקציות בין פוטונים וחומר קשורים זה בזה. עם זאת, ניתן היה לראות במחקר זה יותר מאשר האור המעורב.

בשנת 1953 פותח המסר (שפלט מיקרוגל קוהרנטי) ובשנת 1960 לייזר (שפלט אור קוהרנטי). ככל שהמאפיין של האור המעורב במכשירים אלו נעשה חשוב יותר, אופטיקה קוונטית החלה להשתמש כמונח לתחום לימודים מיוחד זה.

אופטיקה קוונטית (ופיזיקת הקוונטים בכללותה) רואה בקרינה אלקטרומגנטית תנועה בצורה של גל וחלקיק בו זמנית. תופעה זו נקראת דואליות גל-חלקיקים.

ההסבר השכיח ביותר כיצד זה עובד הוא שהפוטונים נעים בזרם של חלקיקים, אולם ההתנהגות הכללית של אותם חלקיקים נקבעת על ידי פונקצית גל קוונטי הקובע את ההסתברות לחלקיקים להיות במיקום נתון בזמן נתון.

אם לוקחים ממצאים מאלקטרודינמיקה קוונטית (QED), ניתן גם לפרש אופטיקה קוונטית בצורה של יצירת והשמדת פוטונים, המתוארים על ידי מפעילי שדה. גישה זו מאפשרת שימוש בגישות סטטיסטיות מסוימות אשר מועילות בניתוח התנהגות האור, אם כי אם זה מייצג את מה שמתרחש פיזית הוא עניין של דיון כלשהו (למרות שרוב האנשים רואים בו רק מתמטיקה שימושית דגם).

לייזרים (ומאסרים) הם היישום הברור ביותר של אופטיקה קוונטית. האור הנפלט מהתקנים הללו נמצא במצב קוהרנטי, כלומר האור דומה מאוד לגל סינוסואידי קלאסי. במצב קוהרנטי זה, פונקצית הגל המכני הקוונטי (וכך אי הוודאות המכנית הקוונטית) מופצת באופן שווה. האור הנפלט בלייזר הוא אפוא מסודר מאוד, ובאופן כללי מוגבל לאותו מצב אנרגיה בעיקרו (ובכך לאותו תדר ואורך גל).