Skrót odpowiedzi: Rzeczywiście klasyczny obraz fali świetlnej wystarczy do opisu wielu doświadczeń ze światłem i atomami. Jednak w ostatnich latach powstaje coraz więcej wyników doświadczalnych wymagających opisu w pełni kwantowego[1]. Najprostszy przykład takiego opisu dotyczy atomu dwupoziomowego[2] w kontakcie z fotonem. Zgodnie z prawami mechaniki kwantowej, gdy doprowadzimy foton do kontaktu z atomem, układ będzie oscylował między dwoma stanami: w pierwszym z nich atomowi w stanie podstawowym towarzyszy foton, w drugim atom jest w stanie wzbudzonym i nie ma fotonu.

Odpowiedź szczegółowa: W doświadczalnej realizacji zamykamy atom o stanach (a0) i (a1) razem z fotonem we wnęce rezonansowej. Foton ma energię równą różnicy energii stanów atomu. Rozważmy dwa stany pola elektromagnetycznego we wnęce: brak fotonów (f0) lub jeden foton (f1). Mamy więc cztery możliwe stany naszego układu atom – pole wnęki: (a0)(f0), (a0)(f1), (a1)(f0), i (a1)(f1). Drugi i trzeci z nich mają tę samą energię. Opis ten jest poprawny, gdy nie ma sprzężenia atom – pole wnęki (na przykład, gdy atom znajduje się w węźle fali stojącej wnęki). Jeżeli jednak sprzężenie istnieje, stany (a0)(f1) i (a1)(f0) nie są już stanami własnymi układu, podobnie, jak dwa sprzężone wahadła nie wahają się niezależnie. Stany własne w obecności sprzężenia odpowiadają sumie i różnicy stanów (a0)(f1) i (a1)(f0). Energie tych stanów własnych różnią się o wartość energii sprzężenia. Jeżeli wpuścimy foton do wnęki zawierającej atom w stanie podstawowym, wytworzymy stan (a0)(f1), który nie jest stanem własnym, ale superpozycją z równym wkładem dwóch stanów własnych. Zgodnie z prawami mechaniki kwantowej, względna faza stanów własnych w tej superpozycji będzie ewoluować w czasie dając w wyniku różne kombinacje obu stanów własnych, wśród których będą się periodycznie pojawiać na przemian stany (a0)(f1) i (a1)(f0), odpowiadające sumie i różnicy stanów własnych. Częstość takich oscylacji będzie równa energii sprzężenia podzielonej przez stałą Plancka h. Tak wygląda kwantowy opis przepływu energii wzbudzenia tam i z powrotem między atomem a fotonem. Więcej na ten temat można przeczytać na przykład w książkach[3] wydanych przez PWN i w oryginalnych pracach naukowych. Warto dodać, że sprawa pełnego zrozumienia tych zjawisk jest ciągle przedmiotem dyskusji i publikacji naukowych[4].

[1] Na przykład C.J. Hood et al., Real-time cavity QED with single atoms, Phys. Rev. Lett. 80, 4157?4160 (1998).

[2] Szczególne zainteresowanie z punktu widzenia perspektyw rozwoju informatyki kwantowej budzi zastosowanie w takich eksperymentach półprzewodnikowej kropki kwantowej w roli atomu. Doświadczalną realizację rozważanego tu układu z kropką kwantową osiągnięto po raz pierwszy w 2004 roku (J.P. Reithmaier et al., Strong coupling in a single quantum dot-semiconductor microcavity system, Nature 432, 197).

[3] H. Haken Światło: fale fotony atomy, PWN 1993; C. C. Gerryt i P. Knight Wstep do optyki kwantowej, PWN 2007.

[4] Iwo Bialynicki-Birula and Tomasz Sowiński Quantum electrodynamics of qubits, Phys. Rev. A 76, 062106 (2007).