Fizikai Szemle honlap |
Tartalomjegyzék |
Ádám Péter, Janszky József
MTA SZFKI, PTE TTK Fizikai Intézet
körfrekvenciájú
fény
energiájú
csomagokból áll. Ezeket később fotonoknak nevezték el.
A fény kettős természetét egységesen tárgyaló elmélet
alapja azonban csak az 1920-as évek végén, Dirac munkája
nyomán született meg. Ezen elmélet szerint a sugárzási
teret a klasszikus elektrodinamika törvényeinek
megfelelően egy adott térrészben módusokra bontjuk,
például adott polarizációjú és frekvenciájú síkhullámokra.
Minden módushoz egy harmonikus oszcillátort rendelhetünk úgy,
hogy az oszcillátor energiája megegyezzen
a térmódus energiájával. Az oszcillátort ezután kvantáljuk,
azaz a kvantummechanika elmélete szerint tárgyaljuk.
Ennek megfelelően a tér normál módusainak
energiaspektruma diszkrét és egyenközű. Ha a módus az
n-edik sajátállapotban van, akkor azt mondjuk, hogy a
módusban n foton van. A fotonszám tehát a módus gerjesztettségének a
mértéke. Az n-fotonos állapot jelölésére
az | n > szimbólumot használjuk. A kvantummechanikai
tárgyalásnak megfelelően a fizikai mennyiségeknek
operátorok felelnek meg. Példaként tekintsük egyetlen,
k körfrekvenciájú,
k hullámszámvektorú,
polarizációjú síkhullámmódus esetén az elektromos térerősség operátorát,
amely egy pozitív és egy negatív frekvenciás
tagra bontható:

eltüntető és
keltő operátorok. Az eltüntető operátor
egy fotonnal csökkenti a tér gerjesztettségét:





komplex paraméter.
Ezt a kvantumállapotot a harmonikus oszcillátor kvantumelméletéből
ismerhetjük. A koherens állapot az oszcillátor
klasszikus mozgásának megfelelő kvantumállapot.
Fény esetében a példaként tekintett módusfelbontás
esetén ez a monokromatikus síkhullámnak felel meg. A
koherens állapot komplex paraméterének abszolút értéke
arányos
a hullám amplitúdójával,
fázisa a hullám
kezdőfázisa. A kvantumos tárgyalásból következően
azonban az elektromos térerősségnek bizonytalansága
van, amely fázisfüggetlen és értéke állandó, megegyezik
a vákuumzajjal. A koherens állapotú fény így növekvő
gerjesztettség mellett egyre jobban megfelel a klasszikus
hullámnak, hiszen a kvantumzaja elhanyagolható lesz az
amplitúdójához képest. Érdemes megemlíteni, hogy egy
ideális lézer koherens állapotú fényt bocsát ki. Glauber
elméleti eredményeit, kétségkívül, az első lézereknek a
'60-as évek elején történt kifejlesztése is motiválta.
A koherens fény nevezetes jellemzője, hogy fotonstatisztikája,
tehát az n-fotonos állapotok eloszlása Poisson-eloszlás,
azaz


paramétere által meghatározott
komplex sík megfelel a kvantummechanikai fázistérnek.
Ennek koordinátatengelyeit fény esetében az úgynevezett
kvadratúraoperátorok átlagértékei adják.
Ezekkel az operátorokkal a tér rezgéseit a klasszikus eljárásnak megfelelően
két,
/2 fáziskülönbségű, egymásra
merőlegesen oszcilláló mennyiségre bontjuk. A kvantummechanikai
leírásban a két kvadratúraoperátor kanonikusan
konjugált, tehát a kvadratúrák nem mérhetők egyszerre,
szórásaikra teljesül a

körfrekvenciával forog a fázistér
origója körül.
A fázistéren értelmezhetünk úgynevezett kvázivalószínűség-
eloszlásfüggvényeket, a klasszikus statisztikus fizika
fázistérbeli eloszlásfüggvényeihez hasonlóan. (Ilyen
például a Wigner Jenő által 1932-ben bevezetett Wigner-függvény.)
Ezekkel a fény kevert állapotait is jellemezhetjük,
amelyek nem írhatók le egyetlen állapotvektorral.
Az egyik legjellegzetesebb példa kevert állapotra a termikus
állapot, amely egy termikus fényforrás, például egy
egyszerű izzólámpa fényét írja le. Glauber a kevert állapotokat
leíró sűrűségoperátor reprezentálására a P(
)
kvázivalószínűség-eloszlást vezette be, amellyel egy kevert
kvantumállapot sűrűségoperátora a következő
diagonális alakba írható:

)
súlyfüggvénnyel
vett keveréke. A Glauber-féle P-függvény bizonyos
problémák tárgyalásakor matematikailag előnyösebb
tulajdonságokkal rendelkezik, mint más kvázivalószínűség-
eloszlásfüggvények.
Glauber megmutatta azt is, hogy a kvantummechanikai
eloszlásfüggvények nem tekinthetők a klasszikus
eloszlásfüggvények egyértelmű megfelelőjének. Ezek a
függvények a klasszikus megfelelő nélküli kvantumállapotokban
ugyanis negatív értéket is felvehetnek. A lézerek
megjelenése előtt csak termikus fényforrásokat ismertünk.
A termikus fény P(
)
függvénye Gauss-függvény,
ezért alkalmazható a vele végzett kísérletek értelmezésére
a klasszikus fluktuációelmélet. Természetesen a koherens
fénnyel végzett kísérletek is értelmezhetőek a
klasszikus elmélettel. Érthető módon a Glauber eredményeit
követően megindult kvantumoptikai kutatások
egyik fő célja a fény nevezetes nemklasszikus állapotainak megtalálása,
leírása és előállítása volt.
, fotonszámeloszlása
pedig keskenyebb, mint a Poisson-eloszlás, azaz szub-
Poisson statisztikájú.
Kvadratúra-összenyomott állapotban az egyik kvadratúramennyiség
szórása kisebb, mint a koherens érték
. A Heisenberg-féle határozatlansági
összefüggésnek megfelelően természetesen a
másikmennyiség zaja megnő. Az ilyen állapotot egy ellipszissel
ábrázolhatnánk az 1. ábrán bemutatott fázistérben.
Kvadratúra-összenyomott vákuumállapotot úgynevezett
optikai parametrikus oszcillátorral állíthatunk elő.
Ebben az eszközben egy 2
frekvenciájú lézerfénnyel
pumpált nemlineáris kristályban két,
frekvenciájú
módus keletkezik. Ezek féligáteresztő tükrön történő
keverése adja a kívánt állapotot, amely ideális esetben
minimális bizonytalanságú állapot, azaz a Heisenberg-féle
határozatlansági összefüggés egyenlőségként teljesül.
Ezen kívül számos más nemlineáris optikai folyamatban
is keletkezhet összenyomott fény. Koherens fényből
kiindulva összenyomott koherens fényt kaphatunk,
amelynek kvantumzaja fázisfüggő. Bizonyos fázispontokban
csökken, másutt nő a koherens értékhez képest. Nevezetes
eredmény, hogy két koherens állapot kvantummechanikai
szuperpozíciója is összenyomott állapotot
eredményezhet. Az ilyen állapotot szokás optikai Schrödinger-
macska állapotnak is nevezni, hiszen két, makroszkopikusan
megkülönböztethető kváziklasszikus állapot
szuperpozíciója, amely Schrödinger híres paradoxonában
is szerepel. A nemklasszikus tulajdonság kialakulásának
oka a két állapot közötti kvantuminterferencia.
Ez a szuperponált állapotot felépítő egyes állapotok mint
valószínűségi amplitúdók között lép fel, ha fizikailag
mérhető mennyiséget származtatunk. A különböző állapotokkal
számolt operátor-középértékek az interferenciatagok.
A 2. ábrán a páros Schrödinger-macska állapot,
azaz a


paraméter határozza
meg a
összenyomott vákumállapot összenyomottságának mértékét, a
állapot pedig a fázistér valós tengelyén lévő koherens
állapot.
Az ezt követő években számos nemklasszikus állapot
egydimenziós koherens állapot reprezentációját sikerült
megtalálni [4, 5]. A fotonszámállapotokat és az amplitúdó összenyomott
állapotokat például egy origó középpontú
körön vett folytonos szuperpozícióval lehet leírni.
Szisztematikus eljárás is megadható bármilyen állapot
egydimenziós reprezentációjának megtalálására [5]. Ezek
a reprezentációk jelentősen leegyszerűsítik a számításokat
a Glauber-féle, a teljes komplex síkon, azaz a teljes
fázistéren vett reprezentációhoz képest. Segítségükkel az
állapotok fizikai jellemzői és viselkedésük optikai folyamatokban
egyszerűen elemezhetők. Igazi jelentőségük
azonban az, hogy elvezettek annak felismeréséhez, hogy
a fény kvantumállapotai igen jó közelítéssel előállíthatóak
koherens állapotok szuperpozíciójaként [6-8]:

pontokban. A vizsgálatok kimutatták, hogy az ekvidisztans
felosztás vezet a legjobb eredményre. A nevezetes
állapotok többsége már kisszámú (N
10)
koherens állapot
szuperpozíciójával előállítható [8]. Léteznek olyan
diszkrét, koherensállapot-előállítások is, amelyek vákuumhoz
közeli, kis amplitúdójú koherens állapotokból
építik fel a kívánt állapotot. Példaként a 3. ábrán egy
összenyomott koherens állapotot jelenítünk meg vizuálisan.
A tüskék a szuperpozíciót alkotó koherens állapotokat
reprezentálják. Magasságuk arányos az állapot ci súlyfaktorának
abszolút értékével. A 3.a ábra a létrejött állapot
Wigner-függvényét illusztrálja.
Ez az eredmény új lehetőséget nyitott a fény nemklasszikus
állapotainak tanulmányozására. Sikerült olyan
módszereket kidolgozni, amelyekkel bármilyen szuperpozíció
és - egyetlen kísérleti berendezéssel, a paraméterek
változtatásával - több nemklasszikus állapot is létrehozható
[8, 9]. A 4. ábrán egy ilyen módszer vázlatát láthatjuk.
Az elrendezésben egy kétállapotú atom halad át
egy rácson és egy rezonátoron, majd a helyét detektáljuk.
A rezonátorban lévő elektromágneses tér koherens állapotú,
és az atomi átmenettel nem rezonáns. Megmutatható,
hogy a detektálás után a rezonátorban N+1 koherens
állapot körön vett szuperpozíciója alakul ki. A szuperpozíció
paramétereit a rések helyének , szélességének megfelelő
választásával lehet beállítani. A nemklasszikus állapotok
koherens állapot szuperpozícióval történő előállítása
lehetővé tette általános módszerek kifejlesztését
olyan összetett optikai rendszerek tárgyalására, ahol egyszerre
több lineáris és nemlineáris folyamat megy végbe
[10]. A nemklasszikus állapotok fejlődése, a szuperpozíció
együtthatóit ismerve, a levezetett általános összefüggésekkel
egyszerűen elemezhető.
Napjainkig a fény számos nemklasszikus állapotát sikerült
már laboratóriumokban előállítani, tulajdonságait
vizsgálni és különböző kísérletekben használni. Elsősorban
az optikai kommunikációban és a nagy pontosságú
méréstechnikában várható, hogy a gyakorlatban is sikerül
a nemklasszikus fényt felhasználni. Sajnos, a nemklasszikus
tulajdonságok sérülékenysége nehezíti az alkalmazást.
A környezettel történő kölcsönhatás során elkerülhetetlenül
fellépő csillapodás, dekoherencia "tönkreteszi"
az adott kvantumállapotot. Összenyomott állapotú
fény előállítására alkalmas berendezést Magyarországon
az MTA SZFKI Lézeralkalmazási Osztályán építettek.
Az eszközt fotodetektorok kvantumhatásfokának mérésére
használták fel [11]. Jelenleg programozható fotonszámú
fényforrás fejlesztéséhez alkalmazzák.
Érdemes megemlíteni, hogy a koherens állapotokkal
kapcsolatos eredmények más, harmonikus oszcillátorként
tárgyalható fizikai rendszerekre is kiterjeszthetők.
Nevezetes ilyen rendszert alkotnak a csapdázott ionok,
amelyekkel szintén számos nemklasszikus rezgési állapot,
így Schrödinger-macska állapot is előállítható.
A bemutatott eredmények legújabb felhasználási területe
a kvantuminformatika, amely napjaink kvantummechanikai
kutatásának egyik legperspektivikusabb fejezete.
E tudományterület tárgya az információtárolás és feldolgozás
újszerű, kvantumjelenségeket kihasználó módszereinek
kidolgozása. Az alapgondolat a következő: az
információ tárolására általában valamilyen fizikai mennyiség
értékét használjuk, digitális áramkörökben például
egy-egy feszültségszint felel meg az adott bit 0 és 1
logikai értékének. A kvantuminformatikában az információt
egy fizikai rendszer állapotában tároljuk. Egy kvantumbit
lehet például egy feles spin, állapota pedig a |0>
és |1> vektorok tetszőleges szuperpozíciója. Az információfeldolgozás
műveleteit a kvantummechanika szabályai
határozzák meg.
Ezen az elven számos olyan kommunikációs és számítási feladat
elvégezhető, amelyek lehetetlenek hagyományos
adatfeldolgozó eszközökkel. Például ma már lehetséges
olyan titkosított optikai kommunikációs csatorna
létrehozása, amelynek feltörhetetlenségét a Heisenberg-féle
határozatlansági összefüggés garantálja. A kvantuminformatika
egyik fontos fejezete a folytonos változós
kvantuminformatika, ahol az információt fénymódusok
nemklasszikus állapotaiba kódolják [12]. A koherens állapotok
ebben alapvető szerepet játszanak, a szuperpozícióikkal
való leírás pedig hasznos technikának bizonyult
a kapcsolódó jelenségek leírásában [13, 14].
Irodalom