Kvantová optika

Garant předmětu:

Ivan Richter

Přednášející:

Miroslav Dvořák, Ivan Richter

Cvičící:

Miroslav Dvořák, Pavel Kwiecien, Ivan Richter

Předmět zajišťuje:

katedra laserové fyziky a fotoniky

Anotace:

Přednáška pojednává o pokročilejších partiích kvantové optiky a navazuje na předchozí kurs Kvantová elektronika. Zabývá se zejména statistickými vlastnostmi záření, koherentními stavy elektromagnetického pole, kvantovým popisem optického záření, zvláštními stavy pole, zavádí kvazidistribuční a charakteristické funkce. Stěžejní partie dále představují Diracova teorie interakce kvantovaného elektromagnetického záření s kvantovou soustavou (teorie absorpce a emise) a kvantová teorie rozptylu optického záření atomem (Rayleighův, Thomsonův, Ramanův, rezonanční fluorescence). Pozornost dále věnuje zejména kvantové teorii koherence (kvantová teorie optické detekce, kvantové korelační funkce), v relaci s teorií klasickou. Přednáška se dále zabývá zobecněnou teorií koherence vyšších řádů, koherenčními vlastnosti zvláštních polí, kvantovou teorií tlumení (tlumený kvantový harmonický oscilátor, Heisenberg-Langevinův přístup). Pozornost je věnována přehledu neklasických měřících metod (fotopulsní statistika, intenzitní interferometrie, Brown-Twissův jev, hvězdný korelační interferometr, korelační spektroskopie), možnostem měření kvantového stavu světla, i některým vybraným partií moderní kvantové optiky (stlačené stavy, entanglované stavy). Součástí přednášky jsou pravidelná cvičení s praktickými příklady.

Požadavky:

Předpokladem pro studium předmětu je absolvování předmětu Kvantová mechanika (02KVAN) a Kvantová elektronika (12KVEN), resp. ekvivalentních kurzů.

Osnova přednášek:

1. Koherentní stavy elektromagnetického pole, kvantový popis optického záření, kvazidistribuční funkce.

2. Vybrané kvantové stavy pole - koherentní stav, ideální laser, rovnovážné záření, tepelné záření.

3. Diracova teorie interakce kvantovaného elektromagnetického záření s kvantovou soustavou.

4. Kvantová teorie rozptylu záření atomem, Kramers - Heisenbergův účinný průřez rozptylu, příklady rozptylů.

5. Kvantová teorie optické detekce, jednoatomový a mnohoatomový dvouhladinový absorpční / emisní detektor.

6. Kvantová teorie koherence, kvantové korelační funkce, zobecněná teorie koherence - koherence vyšších řádů.

7. Základy kvantové teorie tlumení, tlumený kvantový harmonický oscilátor, Heisenberg-Langevinův přístup.

8. Neklasické stavy světla - přehled, klasifikace, entanglované stavy, problém kvantové fáze, stlačené stavy.

9. Fotodetekční rovnice, neklasické měřící metody, měření kvantového stavu světla.

10. Moderní kvantová optika, EPR paradox, Bellovy nerovnosti, entanglované stavy, kvantová kryptografie.

Osnova cvičení:

Praktické příklady a výpočty vybraných problémů v oblastech:

1. Kvantový popis optického záření pomocí kvazidistribučních funkcí, aplikace na vybrané kvantové stavy světla.

2. Aplikace Diracovy teorie interakce kvantovaného světla s kvantovou soustavou pro vybrané stavy pole.

3. Aplikace Kramers - Heisenbergova účinného průřezu rozptylu na rozptyl Rayleighův, Thomsonův a Ramanův.

4. Aplikace kvantové teorie optické detekce.

5. Výpočty a aplikace kvantových korelačních funkcí, fotodetekční rovnice.

6. Aplikace kvantové teorie tlumení.

Cíle studia:

Znalosti:

Základní i pokročilé znalosti z oblasti kvantové optiky, jejích metodách a postupech, jak teoretických, tak praktických, v návaznosti na metodiku i poznatky z Kvantové elektroniky.

Schopnosti:

Orientace v problematice kvantové elektroniky, schopnost vytvoření nadhledu, praktická aplikace a porozumění základním principům kvantové optiky a jejich aplikace v praxi.

Studijní materiály:

Povinná literatura

[1] Mandel L.: Wolf E.: Optical Coherence and Quantum Optics, Cambridge University Press, 1995.

[2] Louisell W. H.: Quantum Statistical Properties of Radiation, J. Wiley & Sons, London, 1973.

[3] Vrbová, M.: Kvantová teorie koherence, interní učební materiál, KFE FJFI, 1997.

Doporučená literatura:

[4] Peřina J.: Coherence of Light, Dordrecht Reidel Publishing Company, 1985.

[5] Peng J.S., Li G. X.: Introduction to Modern Quantum Optics, World Scientific, 1998.

[6] C. C. Tannoudji, J.D. Roc, G. Grynberg, Photons and atoms - introduction to quantum electrodynamics, Atom-photon interactions - basic processes and applications, J. Wiley & Sons, New York, 2003.

Poznámka:

Rozvrh na zimní semestr 2024/2025:

Rozvrh není připraven

Rozvrh na letní semestr 2024/2025:

Rozvrh není připraven

Předmět je součástí následujících studijních plánů:

• Fyzikální elektronika - Fotonika (PS)
• Inženýrství pevných látek (volitelný předmět)
• Fyzikální elektronika - Laserová fyzika a technika (volitelný předmět)
• Fyzikální elektronika - Počítačová fyzika (volitelný předmět)
• Inženýrství pevných látek (volitelný předmět)