개념으로서의 양자 광학은 각각 막스 플랑크와 알베르트 아인슈타인이 양자역학 분야의 획기적인 연구를 발표했던 1900년이나 1905년으로 거슬러 올라갑니다. 플랑크의 경우, 그는 나중에 예술적으로 "자외선 재앙.” 플랑크의 해결책 간단히 말해서 이 문제는 빛의 에너지가 연속적인 스펙트럼이 아니라 대신에 다음과 같이 조직화되어 있다고 가정하는 것이었습니다. 퀀타. 아인슈타인은 이 급진적인 아이디어를 사용하여 당시 물리학자들을 혼란스럽게 했던 또 다른 문제를 설명했습니다. 광전 효과. 이 현상을 설명하는 그의 1905년 논문은 그의 네 가지 논문 중 첫 번째였습니다. 해골 성충 그 해에 출판물을 내서 그에게 상을 안겨주었습니다. 1921 년 노벨 물리학상.
맥스웰이 제안하고 아인슈타인이 설명한 이러한 양자는 광자라고 알려져 있으며, 이는 빛의 파동-입자 이중성의 핵심 구성 요소입니다. 이는 기존 물리학에 혁명을 일으키고 양자 역학의 전체 분야를 본질적으로 발명한 관찰입니다. 나중에 양자광학(QO)의 한 분야는 빛, 특히 물질과 상호작용하는 빛의 양자적 특성을 더 깊이 이해하려고 하는 초기 연구에서 발전했습니다. 100여년이 지난 후, QO는 많은 자체 하위 분야를 갖춘 거대한 연구 분야로 성장했으며, 연구원들을 위해 많은 노벨상을 수상했습니다.
양자광학의 하위 분야: 감지에서 계산까지
양자 광학에는 많은 하위 분야가 있습니다. 가장 눈에 띄는 것 중 일부는 아래에 설명되어 있습니다. 매일 새로운 발견이 이루어지고 있기 때문에 이것은 완전한 목록이 아닙니다. 또한, 하위 분야 내의 연구가 항상 깔끔한 상자에 들어맞는 것은 아닙니다. 주제와 실험 기법이 겹치는 경우가 많습니다.
양자정보과학(QIS)
QIS에는 양자 컴퓨팅, 통신 및 암호화에 대한 연구가 포함됩니다. 이러한 분야는 일반적으로 정보 처리 및 안전한 데이터 전송을 위해 양자 상태를 활용합니다. 이것은 틀림없이 지난 10년 동안 양자 광학의 가장 두드러진 응용이었습니다. 2022 년 노벨 물리학상 QIS 분야의 업적으로 상을 받았습니다. 지난 몇 년 동안 양자 컴퓨팅은 틈새 학술 주제에서 대규모 산업으로 변모했습니다. 광학 양자 컴퓨팅의 범위 내에서 엄격하게 유지되더라도 다음을 포함하여 다양한 유형의 큐비트 시스템이 패권을 위해 경쟁하고 있습니다. 갇힌 이온, 중성 원자및 광 프로세서. 계산 외에도 암호화와 같은 분야는 다음을 통한 보안 통신 약속으로 인해 변경될 수 있습니다. 양자 키 분배 (QKD).
양자 계측
이 필드 중첩, 얽힘 등의 양자적 성질을 이용한 물리량 측정에 중점을 두고 있으며, 궁극적으로 고전적 한계를 뛰어넘는 정확성을 목표로 하고 있습니다. 애플리케이션에는 다음과 같은 시간 기록이 포함됩니다. 광학 원자 시계, 양자 감지및 양자 홀로그램 이미징.
공동 양자 전기 역학 (CQED)
CQED는 양자화된 빛과 공동 내 물질 사이의 상호 작용을 연구합니다. 광학 공동은 단일 원자(인공 또는 자연)와 광자를 격리하고 보존할 수 있는 탁월한 공간을 만들어 양자 얽힘 및 일관성과 같은 현상을 조사할 수 있게 해줍니다. CQED의 획기적인 작업으로 2012 년 노벨 물리학상. 자체적으로 여전히 활발한 연구 분야이기는 하지만, 1990년대와 2000년대에 개발된 CQED 기술은 다음과 같은 기술 개발에 중요한 역할을 했습니다. 현대 양자 컴퓨터 아키텍처.
양자 비선형 광학 (QNLO)
QNLO는 소위 물질과 빛의 상호 작용을 조사합니다. 비선형 매체, 이는 분극이 인가된 전기장에 비선형적으로 반응하는 매체를 의미합니다. 이는 일반적으로 현대 레이저가 충족할 수 있는 조건인 극도로 높은 출력에서만 달성될 수 있습니다. QNLO는 개인 간의 효과적인 상호 작용에 중점을 둡니다. 다른 광자와 함께 있는 광자 Rydberg 원자와 같은 시스템에서.
초고속 광학
이 분야는 양자 시스템에서 일반적으로 10 정도의 매우 짧은 시간 규모 현상을 다룹니다.-15 (펨토초) ~ 10-18 (아토초) 규모. 초고속 레이저 펄스 생성에 대한 선구적인 연구가 최근에 승리했습니다. 2023 년 노벨 물리학상. 펄스는 믿을 수 없을 만큼 짧은 시간에 발생하는 원자와 전자의 역학을 조사하고 제어하는 데 사용될 수 있습니다. 초고속 레이저 펄스는 또한 권력이 강렬하다이는 재료의 비선형 동작을 생성하는 데 특히 유용하다는 것을 의미합니다(위의 QNLO 섹션 참조).
양자 광학 실험의 구성 요소
이 분야에서 수행되는 실험의 범위는 방대하지만, 많은 양자 광학 연구실에서는 공통적으로 사용되는 몇 가지 장비가 있습니다.
- 레이저. 레이저 없이는 양자광학 분야가 존재하지 않을 것이라고 말해도 무방합니다. Schawlow와 Townes가 처음 제안함 1958년 그리고 Maiman이 시연했습니다. 1960년, 레이저는 물리학, 공학, 화학 연구 전반에 걸쳐 널리 사용됩니다. 레이저의 두 가지 주요 특징은 다음과 같습니다. 단색 및 일관성, 이는 단일 주파수에서 작동하고 방출된 모든 광자가 서로 위상이 같다는 것을 의미합니다. 이러한 특성을 통해 연구자들은 특정 원자 전이를 목표로 삼아 구동하고, 장거리에 걸쳐 양자 상태 정보를 보존하고, 매우 정확한 간섭계를 수행할 수 있습니다.
- 음향광학 및 전기광학 변조기(AOM/EOM). 서로 다른 물리적 원리로 작동하지만 이 두 장치는 레이저 빔을 변조하는 기능 측면에서 매우 유사합니다. 빔과 함께 변조기의 입력에 RF 신호를 적용함으로써 주어진 주파수에서 진폭 변조(AM) 또는 편광 변조를 수행할 수 있습니다. 변조된 신호는 다음을 통해 쉽게 감지됩니다. 락인 증폭기. RF 신호 자체는 다음을 통해 제어할 수 있습니다. 임의 파형 발생기 고급 펄스 성형을 위한 것입니다.
- 광학 공동 또는 공진기. 양자 규모에 대한 많은 실험에는 단일 광자 또는 단일 원자 물리학이 포함됩니다. 따라서 빛과 물질 사이의 상호 작용을 강화하는 것이 중요합니다. 광학 공동의 사용. 광학 공동은 일반적으로 두 개의 마주보는 고도로 연마된 거울로 구성되며 높은 광도를 갖습니다. 품질 요인이는 빛이 공동을 빠져나가기 전에 두 거울 사이에서 여러 번 진동한다는 것을 의미합니다. 레이저 빔의 주파수는 일반적으로 다음과 같은 기술을 통해 공동 공진과 동기화됩니다. 레이저 잠금.
- 간섭계. 이 장치는 다음으로 구성됩니다. 빔 스플리터와 거울의 배열, 들어오는 레이저 빔을 두 개의 경로로 분할하여 작동합니다. 이러한 경로 중 하나는 참조 신호로 사용되고 다른 하나는 테스트 중인 시스템을 포함합니다. 그 후, 또 다른 빔 분할기는 빔을 재결합하여 간섭 패턴을 생성하며, 이를 분석하여 변위, 회전 또는 굴절률의 작은 변화를 측정합니다. 포토다이오드와 락인 증폭기 일반적으로 광학 간섭계의 출력을 측정하는 데 사용됩니다.
양자광학의 미래 전망
양자 광학 기술은 지속적으로 개선되어 시간 유지 및 측정의 감도가 향상되고 데이터의 안전한 암호화가 가능해졌습니다. 또한 광학 양자 컴퓨팅은 오늘날의 컴퓨터에서 어려운 특정 문제를 해결할 것을 약속합니다. 초고속, 고출력 레이저는 재료에서 이전에 알려지지 않은 동작을 추출할 수 있습니다. 이 분야가 계속해서 발전하려면 정밀하고 다양한 테스트 및 측정 장비도 함께 발전해야 합니다.
Moku 소프트웨어 정의 계측이 어떻게 양자 광학 실험의 개발을 촉진하는지 자세히 알아보려면 다음 사례 연구를 확인하세요.
광학 시계 성능 향상
Humboldt University of Berlin과 Ferdinand-Braun-Institut의 연구원들이 디지털 우선 접근 방식을 사용하여 지루한 수동 프로세스를 제거하고 필수 테스트를 자동화하며 클럭 안정성을 최적화하는 방법을 알아보세요.
기계 학습을 통한 광학 공동 자동 정렬
Floquet 연구원들이 소프트웨어 정의 계측을 사용하여 레이저 빔 정렬을 자동화하고 기계 학습 기능을 물리적 시스템으로 발전시키는 방법을 알아보세요.
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