Óptica cuántica

La óptica cuántica es una rama de la física atómica, molecular y óptica, así como de la química cuántica , que estudia el comportamiento de los fotones (cuantos individuales de luz). Incluye el estudio de las propiedades de partícula de los fotones y su interacción con, por ejemplo, átomos y moléculas. Los fotones se han utilizado para comprobar muchas de las predicciones contraintuitivas de la mecánica cuántica , como el entrelazamiento y la teletransportación , y constituyen un recurso útil para el procesamiento de información cuántica .

La luz que se propaga en un volumen restringido del espacio tiene su energía y momento cuantizados en un número entero de partículas conocidas como fotones . La óptica cuántica investiga la naturaleza y los efectos de la luz como una colección de cuantos discretos conocidos como fotones. El primer gran avance que condujo a esta comprensión fue el modelo de Max Planck de 1900 del espectro de radiación del cuerpo negro , que hipotetizó que la energía se emite en unidades discretas . El efecto fotoeléctrico fue una prueba más de esta cuantización, como explicó Albert Einstein en un artículo de 1905, un descubrimiento por el que recibió el Premio Nobel en 1921. Niels Bohr demostró que la hipótesis de que la radiación óptica está cuantizada correspondía a su teoría de los niveles de energía cuantizados de los átomos , y al espectro de emisión de descarga del hidrógeno en particular. La comprensión de la interacción entre la luz y la materia tras estos avances 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 más que sobre la luz; Por lo tanto , en 1960 se hablaba más bien de física atómica y electrónica cuántica. La ciencia del láser —es decir, la investigación sobre 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 mayor énfasis en las propiedades de la luz , y el nombre de óptica cuántica se hizo habitual.

Tras 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 las décadas de 1950 y 1960 para obtener una comprensión más detallada de la fotodetección y la estadística 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 comprimidos exóticos , etc., ya que se comprendió que la luz no puede describirse completamente solo haciendo referencia a los campos electromagnéticos que describen las ondas en el modelo clásico. En 1977, Kimble et al. demostraron que un solo átomo emitía un fotón a la vez, lo que proporcionó una evidencia más convincente de que la luz está compuesta 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 modos— abrió el camino al estudio de lo que se conoció como procesos ultrarrápidos. ^{[ 1 ]} Se encontraron aplicaciones para la investigación del estado sólido (por ejemplo, espectroscopia Raman ) y se estudiaron las fuerzas mecánicas de la luz sobre la materia. Esto último condujo a la levitación y el posicionamiento de nubes de átomos o incluso pequeñas muestras biológicas en una trampa óptica o pinzas ópticas mediante un haz láser. Esto, junto con el enfriamiento Doppler y el enfriamiento de Sísifo , fue la tecnología crucial necesaria para lograr la célebre condensación de Bose-Einstein .

Otros resultados notables son la demostración del entrelazamiento cuántico , la teletransportación cuántica y las puertas lógicas cuánticas . Estas últimas son de gran interés en la teoría de la información cuántica , un campo que surgió en parte de la óptica cuántica y en parte de la informática teórica . ^{[ 2 ]}

Los campos de interés actuales entre los investigadores de óptica cuántica incluyen la conversión descendente paramétrica , la oscilación paramétrica , pulsos de luz aún más cortos (de 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 ), absorbedores perfectos coherentes y muchos más. Los temas clasificados bajo el término de óptica cuántica, especialmente en lo que respecta a su aplicación a la ingeniería y la innovación tecnológica, a menudo se engloban bajo el término moderno de fotónica .

Se han otorgado varios premios Nobel por trabajos en óptica cuántica. Estos se otorgaron de la siguiente manera:

• en 1997, Steven Chu , Claude Cohen-Tannoudji y William Daniel Phillips "para enfriamiento láser" . ^{[ 3 ]}
• en 2001, Wolfgang Ketterle , Eric Allin Cornell y Carl Wieman "para la verificación experimental de la condensación de Bose-Einstein". ^{[ 4 ]}
• En 2005, Theodor W. Hänsch , Roy J. Glauber y John L. Hall "por el desarrollo de la teoría cuántica de la luz y el desarrollo de la técnica de medición de frecuencia óptica". ^{[ 5 ]}
• En 2012, Serge Haroche y David J. Wineland "por métodos experimentales innovadores que permiten la medición y manipulación de sistemas cuánticos individuales". ^{[ 6 ]}
• En 2022, Alain Aspect , John Clauser y Anton Zeilinger fueron galardonados "por sus experimentos con fotones entrelazados, estableciendo la violación de las desigualdades de Bell y siendo pioneros en la ciencia de la información cuántica". ^{[ 7 ]}

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

Cada partícula transporta un cuanto 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 de un fotón por un material es el proceso inverso. La explicación de Einstein sobre 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 frecuente del campo de luz es el estado coherente , introducido por EC George Sudarshan en 1960. Este estado, que puede usarse para describir aproximadamente la salida de un láser de frecuencia única muy por encima del umbral láser, exhibe estadísticas de número de fotones poissonianas . Mediante ciertas interacciones no lineales , un estado coherente puede transformarse en un estado coherente comprimido , aplicando un operador de compresión que puede exhibir estadísticas de fotones super- o sub-poissonianas . Dicha 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 autoestados de energía están 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 se detecta la luz mediante dispositivos de estado sólido, comúnmente utilizados en experimentos.

La electrónica cuántica es un término que se usó principalmente entre las décadas de 1950 y 1970 ^{[ 8 ]} para designar 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 independiente y ha sido absorbido por otros campos. La física del estado sólido toma en cuenta regularmente 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 abarcaba los procesos básicos de operación del láser , que hoy se estudia como un tema en la óptica cuántica. El uso del término se solapó con los primeros trabajos sobre el efecto Hall cuántico y los autómatas celulares cuánticos .

1. Criptografía cuántica (QKD) : comunicación segura mediante fotones individuales y entrelazamiento (por ejemplo,protocolo BB84 ).
2. Computación cuántica fotónica : uso de fotones como cúbits para almacenar y procesar información cuántica .
3. Computación cuántica mediante iones atrapados : utiliza láseres y campos magnéticos para atrapar iones y procesar información cuántica .
4. Relojes atómicos : los relojes más precisos del mundo que utilizan transiciones ópticas en los átomos.
5. Interferometría : mediciones de precisión de longitud, tiempo y frecuencia.

• 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.

• Introducción a la óptica cuántica del campo de luz.
• Enciclopedia de física y tecnología láser , con contenido sobre óptica cuántica (en particular, ruido cuántico en láseres), por Rüdiger Paschotta.
• Qwiki : una wiki de física cuántica dedicada a proporcionar recursos técnicos para físicos cuánticos en ejercicio.
• Quantiki se archivó el 3 de abril de 2010 en la Wayback Machine , un recurso web de contenido gratuito sobre ciencia de la información cuántica que cualquiera puede editar.
• Varios informes de óptica cuántica archivados el 24/01/2019 en Wayback Machine .