Hva er “Kvanteoptikk”?

Kvanteoptikk er et område av moderne fysikk hvor vi enten studerer eller benytter oss av kvanteegenskaper ved lys. Man er fristet til å formulere det slikt: kvanteoptikken dreier seg om optiske fenomener der lyset må betraktes som en strøm av fotoner, og ikke som elektromagnetiske bølger. Men dette er strengt tatt ikke riktig. For det første er fotonbegrepet som sådant ikke veldefinert, og mange kvanteoptiske diskusjoner drøfter (direkte eller indirekte) spørsmål om hva et foton er og hvordan det skal relateres til "klassiske" elektromagnetiske felt. For det andre, innen kvanteoptikk finnes det mange teorier som benytter seg (iallfall delvis) av klassisk elektromagnetisme. Det er høyst aktuelt å bruke "semiklassiske" teorier der kvanteegenskaper og feltegenskaper til lyset kobles sammen.

Derfor er det kanskje bedre å forstå hva kvanteoptikken er ved å se nærmere på de kvanteoptiske forskningsområder som peker seg ut. Det er tre av disse, iallfall når det gjelder eksperimentell kvanteoptikk (men overlappen med teoretisk kvanteoptikk er selvfølgelig stor):

• Bearbeidelse av lys fra lasere for å danne ulike former for såkalt "ikke-klassisk lys". Sammenfiltrede fotoner er selvfølgelig det mest berømte eksemplet, og de åpner døra for tre meget aktuelle og potensielt banebrytende forskningsområder: kvanteberegninger, kvantekryptografi (se neste punkt) og kvanteteleportasjon. I tillegg kommer det andre typer av ikke-klassisk lys, mindre kjente, men også veldig viktige: squeezed states, sub-Poissonsk lys, antibunched lys m.fl. De aller viktigste i denne sammenhengen er kanskje eksperimenter hvor man mener å ha vist at en såkalt lokal, skjult variabel beskrivelse av naturen ikke kan opprettholdes. Mer løselig forklart betyr det at det er umulig å kjenne f.eks. et fotons egenskap mens det er underveis, - det er først når man måler egenskapen at den kan bestemmes. Dette var en brennbart emne som ble diskutert heftig av Einstein og Bohr i 1930-årene. Først ved kvanteoptiske eksperiment i begynnelsen av 1980-årene kunne man “avgjøre” om Einstein eller Bohr hadde rett, og det gikk i Bohrs favør. Imidlertid er det fortsatt en del som betviler de konklusjonene de fleste har slått seg til ro med. Det er med andre ord slett ikke sikkert at siste ordet er sagt i denne sammenheng!
• Å legge til rette for å bruke de kvantemekaniske egenskapene til lys i informasjonsteknisk sammenheng. Eksempelvis bygger man opp prototyper for helt sikre informasjonskanaler (som prinsipielt ikke kan avlyttes uten at det oppdages), eller arbeider med miniatyrisering av kvanteoptiske komponenter for å kunne utnytte lys i fremtidige kvantedatamaskiner.
• Kvantemekanisk samspill mellom lys og materie. Bose-Einstein kondensat er per i dag sannsynligvis det viktigste resultatet som kom fra dette området av eksperimentell kvanteoptikk. Slike kondensater skapes ved hjelp av lasernedkjøling, og veien fører videre til såkalte "atomlasere" som kan revolusjonisere optikk i løpet av dette tiåret. Eksperimenter som involverer disse ting er meget krevende da det er mange teknikker som må beherskes for å få et vellykket forsøk.

Det skal være inneforstått at på Kvanteoptikklaboratoriet ved UiO driver vi ikke med alle typer av eksperimentell virksomhet nevnt ovenfor, siden hvert enkelt moment utgjør et stort fagfelt og krever veldig store finansieringsmidler. Her ønsket vi bare å forklare hva kvanteoptikken er for alle interesserte. Når det gjelder konkrete (aktuelle) prosjekter ved OQOL, vennligst klikk her.

Har du lyst å lese mer om kvanteoptikk på egen hånd, se vår korte oversikt over noen interessante lærebøker her.