البصريات الكمية

علم البصريات الكمومية هو فرع من الفيزياء الذرية والجزيئية والبصرية والكيمياء الكمومية ، يدرس سلوك الفوتونات (كميات الضوء الفردية). ويشمل دراسة الخصائص الشبيهة بالجسيمات للفوتونات وتفاعلها مع الذرات والجزيئات، على سبيل المثال. وقد استُخدمت الفوتونات لاختبار العديد من التنبؤات غير البديهية لميكانيكا الكم ، مثل التشابك الكمومي والانتقال الآني ، وهي مورد قيّم لمعالجة المعلومات الكمومية .

تنتشر الطاقة والزخم للضوء في حيز محدود من الفضاء، حيث تُكمّم إلى عدد صحيح من الجسيمات تُعرف بالفوتونات . يدرس علم البصريات الكمية طبيعة الضوء وتأثيراته كمجموعة من الكمات المنفصلة المعروفة بالفوتونات. كان أول تطور رئيسي أدى إلى هذا الفهم هو نموذج ماكس بلانك عام 1900 لطيف إشعاع الجسم الأسود ، والذي افترض أن الطاقة تُنبعث في وحدات منفصلة . شكل التأثير الكهروضوئي دليلاً إضافياً على هذا التكميم، كما شرحه ألبرت أينشتاين في بحث نُشر عام 1905، وهو اكتشاف نال بفضله جائزة نوبل عام 1921. بيّن نيلز بور أن فرضية تكميم الإشعاع الضوئي تتوافق مع نظريته حول مستويات الطاقة المُكمّمة للذرات ، وطيف انبعاث التفريغ من الهيدروجين على وجه الخصوص. كان فهم التفاعل بين الضوء والمادة، في أعقاب هذه التطورات، حاسماً لتطور ميكانيكا الكم ككل. ومع ذلك، كانت الفروع الفرعية لميكانيكا الكم التي تتعامل مع تفاعل المادة والضوء تعتبر في المقام الأول أبحاثًا في المادة بدلاً من الضوء؛ ومن ثم كان المرء يتحدث عن الفيزياء الذرية والإلكترونيات الكمومية في عام 1960. أصبح علم الليزر - أي البحث في مبادئ وتصميم وتطبيق هذه الأجهزة - مجالًا مهمًا، وتمت دراسة ميكانيكا الكم التي تقوم عليها مبادئ الليزر مع مزيد من التركيز على خصائص الضوء ، وأصبح اسم البصريات الكمومية شائعًا.

بعد أعمال ديراك في نظرية الحقل الكمومي ، قام كل من جون آر. كلاودر ، وجورج سودارشان ، وروي جيه. غلاوبر ، وليونارد ماندل بتطبيق نظرية الكم على المجال الكهرومغناطيسي في خمسينيات وستينيات القرن العشرين، سعياً لفهم أعمق لعملية الكشف الضوئي وإحصاءات الضوء (انظر درجة التماسك ). أدى ذلك إلى ظهور مفهوم الحالة المتماسكة ، الذي تناول الاختلافات بين ضوء الليزر، والضوء الحراري، والحالات المضغوطة الغريبة ، وغيرها، إذ أصبح من الواضح أن الضوء لا يمكن وصفه وصفاً كاملاً بمجرد الإشارة إلى المجالات الكهرومغناطيسية التي تصف الموجات في النموذج الكلاسيكي. في عام ١٩٧٧، أثبت كيمبل وزملاؤه أن ذرة واحدة تُصدر فوتوناً واحداً في كل مرة، مما قدم دليلاً إضافياً قوياً على أن الضوء يتكون من فوتونات. بعد ذلك، تم اكتشاف حالات كمومية غير معروفة سابقاً للضوء، ذات خصائص مختلفة عن الحالات الكلاسيكية، مثل الضوء المضغوط .

أدى تطوير نبضات الليزر القصيرة وفائقة القصر -التي تم إنشاؤها بتقنيات تبديل Q وقفل الأنماط- إلى فتح المجال لدراسة ما أصبح يُعرف بالعمليات فائقة السرعة. ^{[ 1 ]} وقد تم اكتشاف تطبيقات في أبحاث الحالة الصلبة (مثل مطيافية رامان )، ودُرست القوى الميكانيكية للضوء على المادة. وأدى هذا الأخير إلى رفع وتحديد مواقع سحب الذرات أو حتى عينات بيولوجية صغيرة في مصيدة ضوئية أو ملاقط ضوئية بواسطة شعاع الليزر. وكان هذا، إلى جانب تبريد دوبلر وتبريد سيزيف ، التقنية الحاسمة اللازمة لتحقيق تكثيف بوز-أينشتاين الشهير .

ومن النتائج البارزة الأخرى إثبات التشابك الكمومي ، والنقل الكمومي عن بعد ، وبوابات المنطق الكمومي . وتحظى هذه الأخيرة باهتمام كبير في نظرية المعلومات الكمومية ، وهو موضوع نشأ جزئياً من البصريات الكمومية، وجزئياً من علوم الحاسوب النظرية . ^{[ 2 ]}

تشمل مجالات الاهتمام الحالية لدى باحثي البصريات الكمومية التحويل البارامتري للترددات المنخفضة ، والتذبذب البارامتري ، ونبضات الضوء الأقصر (الأتوثانية)، واستخدام البصريات الكمومية في المعلومات الكمومية ، ومعالجة الذرات المفردة، ومكثفات بوز-أينشتاين وتطبيقاتها وكيفية التحكم بها (وهو مجال فرعي يُعرف غالبًا باسم بصريات الذرات )، والممتصات المثالية المتماسكة ، وغيرها الكثير. وتُصنف المواضيع التي تندرج تحت مصطلح البصريات الكمومية، وخاصةً تلك المتعلقة بالهندسة والابتكار التكنولوجي، ضمن مصطلح الفوتونيات الحديث .

مُنحت عدة جوائز نوبل لأبحاث في مجال البصريات الكمومية، وقد مُنحت على النحو التالي:

• في عام 1997، قام ستيفن تشو وكلود كوهين-تانوجي وويليام دانيال فيليبس " بتبريد الليزر" . ^{[ 3 ]}
• في عام 2001، قام كل من فولفغانغ كيترلي وإريك ألين كورنيل وكارل ويمَن "بالتحقق التجريبي من تكثيف بوز-أينشتاين". ^{[ 4 ]}
• في عام 2005، حصل كل من ثيودور دبليو هانش ، وروي جيه غلاوبر، وجون إل هول على جائزة "لتطوير نظرية الكم للضوء وتطوير تقنية قياس التردد البصري". ^{[ 5 ]}
• في عام 2012، حصل سيرج هاروش وديفيد ج. واينلاند على جائزة "لأساليبهما التجريبية الرائدة التي تُمكّن من قياس ومعالجة الأنظمة الكمومية الفردية". ^{[ 6 ]}
• في عام 2022، حصل آلان أسبكت وجون كلاوزر وأنطون زيلينجر على جائزة "لتجاربهم مع الفوتونات المتشابكة، وإثبات انتهاك متباينات بيل، وريادتهم في علم المعلومات الكمومية". ^{[ 7 ]}

وفقًا لنظرية الكم ، يُمكن اعتبار الضوء ليس فقط موجة كهرومغناطيسية ، بل أيضًا "تيارًا" من الجسيمات تُسمى الفوتونات ، والتي تنتقل بسرعة الضوء في الفراغ (c) . لا ينبغي اعتبار هذه الجسيمات كرات بلياردو تقليدية ، بل جسيمات كمومية موصوفة بدالة موجية منتشرة على منطقة محدودة.

يحمل كل جسيم كمية واحدة من الطاقة، تساوي hf ، حيث h ثابت بلانك و f تردد الضوء. تتوافق هذه الطاقة التي يمتلكها فوتون واحد تمامًا مع الانتقال بين مستويات طاقة منفصلة في الذرة (أو أي نظام آخر) التي أصدرت الفوتون؛ وامتصاص المادة للفوتون هو العملية العكسية. كما تنبأ تفسير أينشتاين للانبعاث التلقائي بوجود الانبعاث المحفز ، وهو المبدأ الذي يقوم عليه الليزر . مع ذلك، فإن الاختراع الفعلي للميزر ( والليزر) بعد سنوات عديدة كان يعتمد على طريقة لإنتاج انعكاس التوزيع السكاني .

يُعد استخدام الميكانيكا الإحصائية أساسيًا لمفاهيم البصريات الكمومية: يتم وصف الضوء من حيث عوامل المجال لإنشاء وإفناء الفوتونات - أي بلغة الديناميكا الكهربائية الكمومية .

من الحالات الشائعة لحقل الضوء الحالة المتماسكة ، التي قدمها إي سي جورج سودارشان عام 1960. هذه الحالة، التي يمكن استخدامها لوصف خرج ليزر أحادي التردد تقريبًا عند تردد أعلى بكثير من عتبة الليزر، تُظهر إحصائيات عدد الفوتونات وفقًا لتوزيع بواسون . من خلال تفاعلات غير خطية معينة ، يمكن تحويل الحالة المتماسكة إلى حالة متماسكة مضغوطة ، بتطبيق عامل ضغط قد يُظهر إحصائيات فوتونات فوق أو تحت توزيع بواسون . يُطلق على هذا الضوء اسم الضوء المضغوط . ترتبط جوانب كمومية أخرى مهمة بارتباطات إحصائيات الفوتونات بين الحزم الضوئية المختلفة. على سبيل المثال، يمكن للتحويل البارامتري التلقائي التنازلي أن يُولّد ما يُسمى "الحزمتين التوأميتين"، حيث يرتبط (في الوضع المثالي) كل فوتون في إحدى الحزمتين بفوتون في الحزمة الأخرى.

تعتبر الذرات بمثابة مذبذبات ميكانيكية كمومية ذات طيف طاقة منفصل ، حيث يتم تحريك الانتقالات بين حالات الطاقة الذاتية عن طريق امتصاص أو انبعاث الضوء وفقًا لنظرية أينشتاين.

بالنسبة للمادة الصلبة، تُستخدم نماذج نطاقات الطاقة في فيزياء الحالة الصلبة . وهذا أمر مهم لفهم كيفية رصد الضوء بواسطة أجهزة الحالة الصلبة، والتي تُستخدم عادةً في التجارب.

الإلكترونيات الكمومية مصطلحٌ شاع استخدامه بين خمسينيات وسبعينيات القرن العشرين ^{[ 8 ]} للدلالة على فرع الفيزياء الذي يُعنى بتأثيرات ميكانيكا الكم على سلوك الإلكترونات في المادة، وتفاعلاتها مع الفوتونات . أما اليوم، فنادرًا ما يُنظر إليها كفرعٍ مستقل، إذ دُمجت في فروعٍ أخرى. ففيزياء الحالة الصلبة تأخذ ميكانيكا الكم في الحسبان بانتظام، وتهتم عادةً بالإلكترونات. وتُبحث التطبيقات المحددة لميكانيكا الكم في الإلكترونيات ضمن فيزياء أشباه الموصلات . كما شمل المصطلح العمليات الأساسية لتشغيل الليزر ، والتي تُدرس اليوم كموضوعٍ في البصريات الكمومية. وتداخل استخدام المصطلح مع الأعمال المبكرة حول تأثير هول الكمومي والأتمتة الخلوية الكمومية .

1. التشفير الكمي (QKD) – اتصال آمن باستخدام الفوتونات المفردة والتشابك (على سبيل المثال،بروتوكول BB84 )
2. الحوسبة الكمومية الضوئية - استخدام الفوتونات كوحدات بت كمومية لتخزين ومعالجة المعلومات الكمومية .
3. الحوسبة الكمومية للأيونات المحصورة - تستخدم الليزر والمجالات المغناطيسية لحصر الأيونات ومعالجة المعلومات الكمومية .
4. الساعات الذرية – أكثر الساعات دقة في العالم باستخدام الانتقالات الضوئية في الذرات.
5. التداخل الضوئي – قياسات دقيقة للطول والزمن والتردد.

• جيري، كريستوفر؛ نايت، بيتر (2004). مقدمة في البصريات الكمية . مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 052152735X.
• جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2005

• L. Mandel , E. Wolf Optical Coherence and Quantum Optics (Cambridge 1995).
• DF Walls و GJ Milburn Quantum Optics (Springer 1994).
• كريسبين غاردينر وبيتر زولر ، الضوضاء الكمومية (سبرينغر 2004).
• HM Moya-Cessa and F. Soto-Eguibar، مقدمة في البصريات الكمومية (Rinton Press 2011).
• إم أو سكولي وإم إس زبيري البصريات الكمية (كامبريدج 1997).
• WP Schleich Quantum Optics in Phase Space (Wiley 2001).
• كيرا، م.؛ كوخ، س. و. (2011). البصريات الكمية لأشباه الموصلات . مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 978-0521875097.
• إف جيه دوارتي (2014). البصريات الكمية للمهندسين . نيويورك: سي آر سي. رقم ISBN 978-1439888537.

• مقدمة في البصريات الكمومية لحقل الضوء
• موسوعة فيزياء الليزر والتكنولوجيا ، مع محتوى عن البصريات الكمومية (وخاصة الضوضاء الكمومية في الليزر)، من تأليف روديجر باشوتا.
• Qwiki – موقع ويكي متخصص في الفيزياء الكمية، مخصص لتوفير الموارد التقنية لعلماء الفيزياء الكمية الممارسين.
• تمت أرشفة Quantiki في 2010-04-03 على Wayback Machine - وهو مورد WWW مجاني المحتوى في علم المعلومات الكمومية يمكن لأي شخص تعديله.
• تقارير متنوعة عن البصريات الكمومية، مؤرشفة بتاريخ ٢٤ يناير ٢٠١٩ على موقع Wayback Machine