Квантовая оптика

Что такое свет? Частица, волна или и то и другое одновременно? Можно ли пощупать фотон и почему он существует, пока движется? Все дело в том, что это особое состояние материи, которое описывается законами квантовой оптики — одного из разделов квантовой физики.

Вспомним, что именно для света, а точнее, для электромагнитного поля, в 1900 году Максом Планком была впервые предложена идея квантового описания. Он предположил, что излучение света происходит порциями — квантами. И каким бы парадоксальным это предположение ни казалось, оно объяснило многие парадоксы оптики. Предположение о том, что излучение света происходит порциями, позволило согласовать теорию и эксперимент и тем самым избавило физику от «ультрафиолетовой катастрофы».

Так что же такое свет?

Кроме спектров излучения, в физике оставалось еще одно неясное место, а именно явление фотоэффекта. Было не понятно, почему кинетическая энергия электронов, выбиваемых светом из металла, зависит от частоты света. Более того, свет с достаточно малой частотой вообще не способен вызвать фотоэффект. Поскольку малая частота света соответствует красной части спектра, то это явление назвали красной границей фотоэффекта.

В 1905 году Альберт Эйнштейн применил для объяснения фотоэффекта гипотезу квантов. Его идея заключалась в том, что каждому электрону достается одна-единственная порция энергии — один квант. И если энергия этого кванта мала, ее просто не хватает для выхода электрона из металла. Эта идея прекрасно подтвердилась экспериментальными данными.

Оказалось, что свет и излучается, и поглощается порциями. Эйнштейн предположил, что свет всегда имеет дискретную структуру, но это была лишь гипотеза, ведь из того, что поглощение и излучение света происходят порциями, еще не следует, что свет и существует только в виде порций. Но именно эта идея оправдывает название «квантовая оптика», и именно с развитием квантовой оптики появились более весомые аргументы в пользу квантовой природы света.

В начале XX века стало общепринятым утверждение, что свет состоит из фотонов, и появилось представление о свете как о потоке корпускул, или частиц. Но такие явления, как интерференция и дифракция, не удавалось объяснить с точки зрения корпускулярной структуры света. Получалось, что свет, как и вообще электромагнитное излучение, — это и волны, и в то же время поток частиц. Примирить эти две точки зрения позволил квантовый подход к описанию света. С точки зрения такого подхода электромагнитное поле может находиться в одном из различных квантовых состояний. Поэтому фразу «свет состоит из фотонов» не следует понимать буквально: так, например, свет может находиться в таком состоянии, что с вероятностью 99% он не содержит фотонов, а с вероятностью 1% он содержит два фотона. Количество фотонов, находящихся в некотором объеме пространства, в отличие от, например, электронов, измерить точно практически невозможно.

Неквантовая теория света

Возможна ли неквантовая физика света? Конечно, да, и в большинстве случаев оптические явления можно объяснить без помощи квантовой теории. Но также есть много случаев, когда важно учитывать квантовую природу света.

Считается, что первый эксперимент в квантовой оптике — это эксперимент Брауна и Твисса, выполненный в 1956 году. Они показали, что если направить свет от некоторых источников на два фотоприемника, которые «щелкают» при регистрации фотонов, то приемники будут часто щелкать одновременно. Этот эксперимент довольно долго считался доказательством фотонной природы света: ведь одновременность щелчков фотоприемников означает, что оба они регистрируют существующие в действительности порции света. Соответственно, свет, который заставляет два фотоприемника щелкать строго одновременно, называют двухфотонным светом. С другой стороны, существуют источники света, которые никогда не дают одновременных щелчков фотодетекторов. Такой свет называется однофотонным.

Таким образом, можно прийти к выводу, что только в особых состояниях свет проявляет свойства, которые невозможно объяснить с классических позиций. Такие состояния света называют неклассическими.

Какие же неклассические состояния света можно на сегодняшний день воспроизвести в лабораториях? Оказывается, совсем немного видов. Физики умеют готовить однофотонный и двухфотонный свет с примесью вакуумного состояния, то есть состояния света без фотонов. В случае однофотонного света это значит, что даже идеальный фотоприемник, включенный в определенный момент, необязательно зарегистрирует фотон, он среагирует лишь с какой-то вероятностью. Двух фотонов в этом случае фотоприемник не зарегистрирует никогда.

Однофотонный свет можно приготовить и без примеси вакуумного состояния — при этом будут точно известны моменты, когда нужно включать фотоприемник, и он будет щелкать с вероятностью 100%. А трехфотонный и тем более четырехфотонный свет экспериментаторы на сегодняшний день не умеют готовить даже с примесью вакуума!

Последний из доступных видов неклассического света — это так называемый сжатый свет, содержащий лишь четное число фотонов, и при его регистрации фотоприемники могут обнаружить пары фотонов, четверки, шестерки и так далее, но никогда—тройки, пятерки и другие нечетные числа фотонов.

«Меня завораживает все непонятное. В частности, книги по ядерной физике —умопомрачительный текст» (Сальвадор Дали)

Неклассический свет находит различные применения. Сжатый свет, как и двухфотонный свет, оказывается полезным при точных измерениях. Их использование позволяет уменьшить ошибки эксперимента, связанные с квантовой неопределенностью. Квантовые объекты чаще всего не имеют точно заданных параметров, их свойства можно назвать размазанными, так же как «размазано» их положение в пространстве. При высокоточных измерениях, когда погрешности эксперимента сведены к минимуму, эта размазанность свойств становится принципиальным ограничением точности измерений. Использование сжатого света позволяет обойти эту трудность и в определенные моменты времени уменьшить размазанность.

Таим образом, основная проблема квантовой оптики — это описание взаимодействия света с веществом с учетом квантовой природы объектов, а также описание распространения света в специфических условиях. Чтобы точно решить эти задачи, требуется описывать и вещество, и свет исключительно с квантовых позиций. Это очень сложная задача, поэтому ученые часто прибегают к упрощениям: одну из компонент системы описывают как классический объект.