ד"ר אבי פאר - אופטיקה קוונטית 86-840

א. מטרות הקורס (מטרות על / מטרות ספציפיות):

 

אופטיקה קוואנטית במובן הרחב ביותר עוסקת באינטראקציה בין אור וחומר כאשר לפחות אחד מן השניים (האור או החומר) מצריך טיפול קוואנטי. ניתן לומר שתורת הקוואנטים נולדה מתוך הטיפול שנתנו פלנק ואיינשטיין לאופטיקה הקוואנטית בראשית המאה ה-20. למרות שהאור והחומר נכרכים כאן יחד, האופי הקוואנטי של כל אחד שונה. החומר באופן קלאסי הוא חלקיקי ואפיו הקוואנטי מתגלה בתכונותיו הגליות. לעומת זאת באור המצב קוטבי הפוך – התנהגות חלקיקית היא קוואנטית, בעוד האופי הגלי מובן היטב ממשוואות מקסוול. מטרת הקורס היא לפתח הבנה בסיסית באופטיקה קוואנטית לצד יכולת חישובית. נדון באינטראקציה של אור עם מערכות קוואנטיות פשוטות (שתיים ושלוש רמות), נברר בדיוק מתי אנו באמת נדרשים להשתמש במילה 'פוטון' ונבין כיצד האופי הקוואנטי של האור מכתיב מגבלות לדיוק של מדידות פיסיקליות.

 

ב. תוכן הקורס: (רציונל, נושאים)

    תכנית הוראה מפורטת:

 

·         Introduction: Reminder of Planck’s radiation law and Einstein coefficients

·         Interaction of light and matter in simple quantum systems - two level atom, Rabi oscillations, Bloch equations and Bloch vectors, Rapid adiabatic passage, Ramsey fringes, line broadening mechanisms (power, pressure, Doppler), dressed atom picture

·         Three level systems – Matter coherence, bright and dark states, Electromagnetically induced transparency (EIT), stimulated Raman adiabatic passage (STIRAP).

·         Classical optical coherence. Coherence time and length, first order coherence and Young experiment, second order coherence and the Hanbury Brown and Twiss experiment, relation between coherence function and power spectrum.

·         The quantized radiation field – Review of second quantization. Photon number states, thermal state, coherent states, squeezed states, photon statistics.

·         Quantum description of the beam splitter – Splitting noise, Phase – Amplitude relations, Mach-Zehnder interferometer, standard quantum limit of phase detection, Heisenberg limit of phase detection.

·         Generation and amplification of light – The laser oscillator in classical and quantum view, phase noise in classical oscillators, quantum noise limit on the laser linewidth, Schwallow – Townes formula.

·         Entangled states of photons – Photon-pair emission and absorption. Spontaneous parametric down-conversion, the Hong-Ou-Mandel interferometer, time-energy entanglement, EPR states, Bell’s inequalities and experiments to check them.

 

 

ג. חובות הקורס:

 

דרישות קדם: קורסי החובה של תואר I.  במיוחד קוואנטים 1, 2 ואלקטרומגנטיות. רקע באופטיקה ולייזרים יסייע אך לא הכרחי.

 

 חובות / דרישות / מטלות: מבחן והגשת תרגילי בית

 

 מרכיבי הציון הסופי (ציון מספרי / ציון עובר): 60% מבחן,    40% תרגיל

 

ד. ביבליוגרפיה:

    

     ספרי הלימוד (textbooks) וספרי עזר נוספים:

 

"Quantum Theory of Light" R. Loudon

"Quantum Electronics" A. Yariv

"Optical electronics" A. Yariv

 

חומר מחייב למבחנים: החומר שיועבר בקורס