Óptica lineal

La óptica lineal es un subcampo de la óptica que se ocupa de los sistemas lineales y es lo opuesto a la óptica no lineal . La óptica lineal incluye la mayoría de las aplicaciones de lentes, espejos, láminas de onda, redes de difracción y muchos otros componentes y sistemas ópticos comunes. ^{[ 1 ]}

Si un sistema óptico es lineal, tiene las siguientes propiedades (entre otras):

• Si la luz monocromática incide sobre un sistema óptico lineal invariable, la salida tendrá la misma frecuencia. Por ejemplo, si la luz roja entra en una lente, seguirá siendo roja al salir de ella.
• El principio de superposición es válido para sistemas ópticos lineales. Por ejemplo, si un espejo transforma la luz de entrada A en la luz de salida B, y la luz de entrada C en la luz de salida D, entonces una entrada compuesta por A y C simultáneamente dará como resultado una salida compuesta por B y D simultáneamente.
• De igual modo, si se aumenta la intensidad de la luz de entrada, la luz de salida también aumenta, pero por lo demás permanece inalterada.

Estas propiedades se violan en la óptica no lineal, que frecuentemente involucra láseres pulsados ​​de alta potencia. Además, muchas interacciones de materiales, incluyendo la absorción y la fluorescencia, no forman parte de la óptica lineal. ^{[ 1 ]}

Como ejemplo, y utilizando la notación de corchetes de Dirac (véase la notación bra-ket ), la transformación${\displaystyle |k\rangle \rightarrow e^{ik\theta }|k\rangle }$ es lineal, mientras que la transformación ${\displaystyle \alpha _{0}|0\rangle +\alpha _{1}|1\rangle +\alpha _{2}|2\rangle \rightarrow \alpha _{0}|0\rangle +\alpha _{1}|1\rangle -\alpha _{2}|2\rangle }$es no lineal. En los ejemplos anteriores,${\displaystyle k=0,1,\ldots }$es un número entero que representa la cantidad de fotones. La transformación en el primer ejemplo es lineal con respecto a la cantidad de fotones, mientras que en el segundo no lo es. Esta transformación no lineal específica desempeña un papel importante en la computación cuántica óptica.

Los desfasadores y los divisores de haz son ejemplos de dispositivos que se utilizan habitualmente en la óptica lineal.

En cambio, los procesos de mezcla de frecuencias, el efecto Kerr óptico, la modulación de fase cruzada y la amplificación Raman son algunos ejemplos de efectos no lineales en óptica.

Un campo de investigación actualmente activo es el uso de la óptica lineal frente al uso de la óptica no lineal en la computación cuántica . ^{[ 2 ]} Por ejemplo, un modelo de computación cuántica óptica lineal , el modelo KLM , es universal para la computación cuántica , y se cree que otro modelo, el modelo basado en el muestreo de bosones , no es universal (para la computación cuántica) pero aún parece ser capaz de resolver algunos problemas exponencialmente más rápido que una computadora clásica.

La transformación no lineal específica${\displaystyle \alpha _{0}|0\rangle +\alpha _{1}|1\rangle +\alpha _{2}|2\rangle \rightarrow \alpha _{0}|0\rangle +\alpha _{1}|1\rangle -\alpha _{2}|2\rangle }$La puerta lógica (denominada "puerta" en la terminología informática) presentada anteriormente desempeña un papel importante en la computación cuántica óptica: por un lado, es útil para derivar un conjunto universal de puertas lógicas y, por otro lado, con dispositivos ópticos lineales (solamente) y la postselección de resultados específicos, además de un proceso de realimentación directa, puede aplicarse con alta probabilidad de éxito y utilizarse para obtener computación cuántica óptica lineal universal, como se hace en el modelo KLM . ^{[ 3 ]}

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