Optique quantique: comment les photons de lumière interagissent avec la matière

L'optique quantique est un domaine de la physique quantique qui traite spécifiquement de l'interaction des photons avec de la matière. L'étude des photons individuels est cruciale pour comprendre le comportement des ondes électromagnétiques dans leur ensemble.

Pour clarifier exactement ce que cela signifie, le mot "quantique" se réfère à la plus petite quantité de toute entité physique qui peut interagir avec une autre entité. La physique quantique traite donc des plus petites particules; ce sont des particules subatomiques incroyablement minuscules qui se comportent de manière unique.

Le mot «optique», en physique, fait référence à l'étude de la lumière. Les photons sont les plus petites particules de lumière (bien qu'il soit important de savoir que les photons peuvent se comporter à la fois comme des particules et des ondes).

La théorie selon laquelle la lumière se déplaçait en faisceaux discrets (c'est-à-dire les photons) a été présentée dans l'article de Max Planck de 1900 sur la catastrophe ultraviolette

La physique quantique s'est développée au cours de la première moitié du XXe siècle en grande partie grâce à des travaux sur notre compréhension de l'interaction et de l'interaction entre photons et matière. Cela a été considéré, cependant, comme une étude de la question impliquée plus que la lumière impliquée.

En 1953, le maser a été développé (qui émettait des micro-ondes cohérentes) et en 1960 le laser (qui a émis une lumière cohérente). À mesure que la propriété de la lumière impliquée dans ces appareils devenait plus importante, l'optique quantique a commencé à être utilisée comme terme pour ce domaine d'étude spécialisé.

L'optique quantique (et la physique quantique dans son ensemble) considère le rayonnement électromagnétique comme voyageant à la fois sous la forme d'une onde et d'une particule. Ce phénomène est appelé dualité onde-particule.

L'explication la plus courante de la façon dont cela fonctionne est que les photons se déplacent dans un flux de particules, mais le comportement global de ces particules est déterminé par un fonction d'onde quantique qui détermine la probabilité que les particules se trouvent dans un emplacement donné à un moment donné.

À partir des résultats de l'électrodynamique quantique (QED), il est également possible d'interpréter l'optique quantique sous la forme de la création et de l'annihilation de photons, décrite par les opérateurs de terrain. Cette approche permet l'utilisation de certaines approches statistiques utiles à l'analyse du comportement de la lumière, même si représente ce qui se passe physiquement est un sujet de débat (bien que la plupart des gens le considèrent comme une simple modèle).

Les lasers (et masers) sont l'application la plus évidente de l'optique quantique. La lumière émise par ces appareils est dans un état cohérent, ce qui signifie que la lumière ressemble étroitement à une onde sinusoïdale classique. Dans cet état cohérent, la fonction d'onde mécanique quantique (et donc l'incertitude de la mécanique quantique) est répartie également. La lumière émise par un laser est donc hautement ordonnée et généralement limitée essentiellement au même état d'énergie (et donc à la même fréquence et à la même longueur d'onde).