Optika Kuantum mempelajari sifat cahaya dan interaksinya dengan materi pada tingkat fundamental, menggunakan prinsip mekanika kuantum. Bidang ini berfokus pada sifat diskrit cahaya, yaitu foton, dan bagaimana sifat-sifat kuantumnya (seperti koherensi, squeezing, dan entanglement) memengaruhi interaksi optik.

1. Kuantisasi Cahaya (Foton)

Landasan optika kuantum adalah gagasan bahwa energi cahaya tidak kontinu, melainkan terkuantisasi dalam paket-paket energi diskrit yang disebut foton.

• Energi Foton: Energi ($\text{E}$) sebuah foton tunggal secara langsung proporsional dengan frekuensi ($\nu$) cahaya.$$E = h \nu = \frac{hc}{\lambda}$$
  • $h$: Konstanta Planck ($6.626 \times 10^{-34} \text{ J}\cdot\text{s}$)
  • $c$: Kecepatan cahaya di ruang hampa.
  • $\lambda$: Panjang gelombang.

2. Dualisme Gelombang-Partikel

Optika kuantum memberikan kerangka yang kuat untuk memahami dualisme sifat cahaya:

• Sifat Gelombang: Terlihat dalam fenomena Optika Fisis (Interferensi, Difraksi).
• Sifat Partikel (Foton): Terlihat dalam interaksi energi (misalnya, Efek Fotolistrik dan Compton) dan pada tingkat intensitas cahaya yang sangat rendah (deteksi foton tunggal).

3. State Cahaya Kuantum

Optika kuantum memungkinkan deskripsi keadaan cahaya yang melebihi batas klasik:

• Keadaan Vakum Kuantum (Quantum Vacuum State): Tingkat energi terendah medan elektromagnetik. Meskipun tidak ada foton terdeteksi, ada fluktuasi medan listrik dan magnet yang inheren (disebut Zero-Point Energy).
• Keadaan Foton Tunggal (Single-Photon States): Sumber cahaya yang memancarkan foton satu per satu pada waktu yang ditentukan. Penting untuk keamanan komunikasi kuantum.

4. Entanglement Foton (Keterikatan Kuantum)

Entanglement adalah fenomena di mana dua atau lebih foton terikat secara kuantum, sehingga keadaan kuantum satu foton secara instan bergantung pada keadaan foton yang lain, terlepas dari jarak pemisahannya.

• Ini adalah sumber daya kunci dalam Komputasi Kuantum dan Kriptografi Kuantum.

5. Aplikasi Optika Kuantum (Teknologi Kuantum)

• Kriptografi Kuantum (Quantum Key Distribution – QKD): Menggunakan sifat foton (misalnya, polarisasi) untuk membuat kunci enkripsi yang tidak mungkin disadap tanpa terdeteksi (Prinsip Ketidakpastian Heisenberg).
• Komputasi Kuantum Optik: Menggunakan foton sebagai qubit (bit kuantum) untuk melakukan perhitungan yang jauh lebih cepat daripada komputer klasik.
• Metrologi Kuantum: Menggunakan sifat kuantum cahaya untuk meningkatkan presisi pengukuran (misalnya, pada jam atom).