Kvanttioptiikka

Kvantioptiikka on fysiikan ala, joka tutkii valon ja sen vuorovaikutusten kvanttitasoa sekä kykyä valmistaa, hallita ja mitata valon kvanttijärjestelmiä. Siinä tarkastellaan valon tiloja kuten Fock-tiloja, koherenssitiloja sekä epäklassisia tiloja (esim. squeezing-tiloja), sekä fotonien välisiä korrelaatioita ja entanglementtia. Kvantioptiikka yhdistää kvanttimekaniikan teorian ja kokeelliset menetelmät, joiden avulla voidaan kontrolloida valon kvanttikomponentteja ja tutkia mittaustuloksia.

Keskeisiä ilmiöitä ovat kvanttiinterferenssi, fotonien antibunching ja epäklassisen valon käytettävyys mittauksissa. Yksi keskeisistä teoreettisista työkaluista on Glauberin koherenssiteoria, jolla kuvaillaan valon tilojen koherenssia ja kvanttikorrelaatioita. Entangled foton-parit ja squeezing-tilat mahdollistavat tehokkaan viestinnän, laskennan ja tarkemman metrologian.

Tuotanto- ja mittausmenetelmät ovat SPDC: n (spontaaninen parametristen down-conversion) kautta tuotettujen entangled fotonien käyttö sekä valon tilojen kontrolloitu luominen. Homodyne- ja heterodyne-tunnistus mittaavat valon quadratureja. Caviteettikammioissa ja optomekaniikassa valon vuorovaikutus aineen tai mekaanisen resonatorin kanssa mahdollistaa kvanttitason tilankäytön, state-tomografian ja parantuneet mittaustarkkuudet.

Sovellukset ulottuvat kvantti-informaatiosta ja kvanttikryptografiasta kvanttilaskentaan sekä erittäin tarkkoihin sensorointi- ja metrologiasovelluksiin. Esimerkkejä ovat LIGO:n käyttämä squeezing-valo metsästyksen herkkyyden parantamiseksi sekä erilaiset kvanttimetriat ja viestintäjärjestelmät. Kvantioptiikka on kansainvälisesti keskeinen tutkimus- ja kehityksen alue sekä perinteisessä että teollisessa fotoniikassa.

Historia: Kvantioptiikan juuret ovat 1960-luvulla Glauberin koherenssiteoriassa; 1980–1990-lukujen aikana todettiin fotonien entanglementti ja squeezing. Nykyään ala yhdistää kvantti-informaation teorian ja kokeelliset optiikan menetelmät.