1. Podsumowanie kursu

Kurs optyki kwantowej zabrał nas w podróż przez fundamentalne aspekty kwantowego opisu światła i jego oddziaływań z materią. Rozpoczęliśmy od oscylatora harmonicznego – klasycznego modelu, który w mechanice kwantowej zyskuje zupełnie nowy wymiar. To właśnie on stał się podstawą do zrozumienia, jak można kwantować pole elektromagnetyczne. Skupiając się na jednym modzie pola, nauczyliśmy się, jak opisać światło za pomocą operatorów kreacji i anihilacji, co doprowadziło nas do pojęcia stanów Focka, które stanowią fundamentalną bazę stanów pola, opisującą kwanty energii światła – fotony.

Z tego formalizmu wyłoniły się stany koherentne – szczególna klasa stanów, które najbardziej przypominają klasyczne fale elektromagnetyczne. Charakteryzują się one minimalną nieoznaczonością i stabilnością w czasie, przez co są doskonałym przybliżeniem dla światła laserowego. Z kolei stany ściśnięte, które również badaliśmy, pokazują, że nieoznaczoność można redystrybuować między składowymi kwadraturowymi, co ma ogromne znaczenie w zastosowaniach wymagających ekstremalnej precyzji.

W dalszej części kursu zagłębiliśmy się w statystyczny opis światła, analizując jednomodowe stany termalne. Pozwoliło nam to zrozumieć, jak wygląda światło emitowane przez źródła cieplne i jakie niesie ze sobą fluktuacje.

Dalej zajęliśmy się modelami oddziaływań światła z materią. Na początku w ujęciu klasycznym, przy użyciu złotej reguły Fermiego, rozważaliśmy, jak pole elektromagnetyczne może wywoływać przejścia między poziomami energetycznymi atomów, przewidując ich prawdopodobieństwa w warunkach rezonansu. Następnie przeszliśmy do w pełni kwantowego obrazu tego oddziaływania, korzystając z modelu Jaynesa-Cummingsa. To w nim pojawiły się zjawiska takie jak oscylacje Rabi’ego czy proces emisji spontanicznej. Pokazało to, jak głęboko zakorzenione są zjawiska kwantowe w dynamice światła i materii. Naturalną kontynuacją była fizyka laserów – urządzeń, które wykorzystują emisję wymuszoną. Poznaliśmy warunki konieczne do działania lasera, takie jak osiągnięcie inwersji obsadzeń oraz mechanizmy wzmacniania promieniowania.

W rezultacie, kurs nie tylko wyposażył nas w narzędzia teoretyczne, ale przede wszystkim w zrozumienie, jak niezwykle bogaty i zaskakujący jest świat światła, gdy patrzymy na niego przez pryzmat mechaniki kwantowej.