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L’optique quantique est un domaine de la physique quantique qui traite spécifiquement de l’interaction des photons avec 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 « quantum » désigne la plus petite quantité d’une entité physique pouvant 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).
Développement de l’optique quantique et de la théorie des photons de la lumière
La théorie selon laquelle la lumière se déplaçait en faisceaux discrets (c’est-à-dire en photons) a été présentée dans l’article de Max Planck de 1900 sur la catastrophe des ultraviolets dans le rayonnement des corps noirs. En 1905, Einstein a développé ces principes dans son explication de l’effet photoélectrique pour définir la théorie des photons de la lumière.
La physique quantique s’est développée tout au long de la première moitié du XXe siècle, en grande partie grâce aux travaux sur notre compréhension de la façon dont les photons et la matière interagissent et sont liés. Cependant, on considérait que l’étude de la matière ne se limitait pas à la lumière.
En 1953, le maser a été développé (qui émettait des micro-ondes cohérentes) et en 1960 le laser (qui émettait une lumière cohérente). Comme la propriété de la lumière impliquée dans ces dispositifs devenait plus importante, l’optique quantique a commencé à être utilisée comme terme pour ce domaine d’étude spécialisé.
Conclusions
L’optique quantique (et la physique quantique dans son ensemble) considère que les rayonnements électromagnétiques se déplacent sous la forme d’une onde et d’une particule en même temps. Ce phénomène est appelé dualité onde-particule.
L’explication la plus courante de ce fonctionnement est que les photons se déplacent dans un flux de particules, mais le comportement global de ces particules est déterminé par une fonction d’onde quantique qui détermine la probabilité que les particules se trouvent à un endroit donné à un moment donné.
À partir des résultats de l’électrodynamique quantique (EDQ), il est également possible d’interpréter l’optique quantique sous la forme de la création et de l’annihilation de photons, décrites par les opérateurs de terrain. Cette approche permet d’utiliser certaines approches statistiques utiles pour analyser le comportement de la lumière, bien que la question de savoir si elle représente ce qui se passe physiquement fasse l’objet d’un débat (bien que la plupart des gens ne la considèrent que comme un modèle mathématique utile).
Demandes
Les lasers (et les masers) sont l’application la plus évidente de l’optique quantique. La lumière émise par ces dispositifs est dans un état cohérent, ce qui signifie que la lumière ressemble étroitement à une onde sinusoïdale classique. Dans cet état cohérent, la fonction de l’onde mécanique quantique (et donc l’incertitude de la mécanique quantique) est répartie de manière égale. La lumière émise par un laser est donc très ordonnée, et généralement limitée essentiellement au même état d’énergie (et donc à la même fréquence et longueur d’onde).
