Quantenoptik
Teilgebiet der Quantenphysik und Optik
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Die Quantenoptik, historisch auch Quantenelektronik, ist ein Teilgebiet der Physik, das sich mit der Wechselwirkung zwischen quantisiertem Licht und Materie befasst.[1][2]
Licht und elektromagnetische Strahlung generell weisen sowohl die typischen Eigenschaften von Wellen wie auch von Teilchen auf (Welle-Teilchen-Dualismus). Während sich die klassische Optik mit geometrischer Optik und Wellenoptik befasst, beschäftigt sich die Quantenoptik mit den Eigenschaften von Licht, die durch dessen Teilchennatur erklärt werden. Dabei greift die Quantenoptik auf die Quantennatur des Lichts zurück. Damit sind die elementaren Teilchen und Gegenstand der Quantenoptik die Lichtquanten oder Photonen.
Forschungsgegenstand
Experimente in der Quantenoptik untersuchen die Wechselwirkung zwischen quantisiertem Licht und Materie.[2] Als nahezu ideale Lichtquelle für Experimente hat sich hierbei der Laser herausgestellt, da dieser äußerst monochromatisch und kohärent ist.[3]
Fragestellungen der Quantenoptik berühren die Atomphysik, die Molekülphysik und die Physik strukturierter Festkörper. Anwendungen finden die Modelle und Erkenntnisse der Quantenoptik in der Laserphysik, Halbleiterphysik, Photonik, Quantenphysik und Quantenchemie (Moleküle, Spektren usw.).
Geschichte der Erforschung der Quanten-Natur des Lichts
Grundlage für das Gebiet der Quantenoptik ist die Erkenntnis, dass Licht quantisiert ist. Das bedeutet, dass es Energie nur in Portionen, sogenannten Quanten (von lat. quantum = „wie viel“), austauschen kann.
Die ersten Beobachtungen, die nicht durch die Wellentheorie des Lichts erklärbar waren, gab es im Jahr 1887 nach der Entdeckung des äußeren Photoelektrischen Effektes. Dabei werden durch ultraviolettes Licht Elektronen aus einem Metall herausgelöst. So beobachtete Wilhelm Hallwachs, dass sich oberhalb einer gewissen Grenzenergie durch Erhöhung der Intensität der Bestrahlung keine weiteren Elektronen herauslösen ließen.[4]
Max Planck stellte 1900 dann das Plancksche Strahlungsgesetz (schwarze Strahlung) auf.[5][6] Diesem liegt die Annahme zugrunde, dass Materie aus Oszillatoren besteht, bei denen nur diskrete Energieniveaus zulässig sind. Diese Erkenntnis gilt als Beginn der Quantenphysik. Der Energieaustausch von Materie mit Licht war folglich nur in gewissen Energieportionen möglich. Max Planck fand dabei den Zusammenhang mit der Frequenz des Lichts.
Albert Einstein erklärte 1905 die Beobachtungen beim Photoelektrischen Effekt damit, dass auch das Licht selbst quantisiert sei[7], wofür er 1921 den Nobelpreis für Physik erhielt. Drei Jahre später, 1924, leitete Satyendranath Bose Plancks Strahlungsgesetz aus der Quantenstatistik her.[8] Das Strahlungsfeld konnte damit als Einstein-Bose-Gas behandelt werden. Photonen sind Bosonen und die Austauschteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung.
Das Wissen über die quantisierte Natur des Lichts bereitete die Grundlage für Erkenntnisse der Atomphysik, wie das Bohrsche Atommodell. Für das Lichtquant schlug Gilbert Newton Lewis 1926 den Namen Photon vor[9], er schrieb dazu:
„When the genius of Planck brought him to the first formulation of the quantum theory, a new kind of atomicity was suggested, and thus Einstein was led to the idea of light quanta which has proved so fertile. [...] I therefore take the liberty of proposing for this hypothetical new atom, which is not light but plays an essential part in every process of radiation, the name photon.“
Mit der Idee des Welle-Teilchen-Dualismus, die Louis de Broglie 1924 in seiner Dissertation[10] formulierte wurde klar, dass die quantenmechanischen Gesetzmäßigkeiten aus der Beobachtung von Licht auch für Elektronen und Materie allgemein gelten. Das Davisson-Germer-Experiment lieferte zwischen 1923 und 1927 einen experimentellen Nachweis von Interferenzerscheinungen bei materiellen Teilchen (Wellenerscheinung der Elektronen), der die Hypothese von de Broglie (Welle-Teilchen-Dualismus) bestätigte. De Broglie (und später auch Davisson, aber nicht Germer) wurde für seine Arbeiten mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Gleichzeitig konnten die mathematischen Formalismen der Quantenmechanik[11], wie die Schrödinger-, Heisenberg- und Dirac-Darstellungen auch auf Photonen angewendet werden. Die Interferenz von Lichtwellen ließ sich damit quantenmechanisch mit Wahrscheinlichkeitsamplituden beschreiben.[12]
Vom Photon zur Quantenoptik
Die Quantenelektronik geht ursprünglich auf die Theorie der Laser zurück. Die Maser und halbleiterbasierten Laser revolutionierten ab den 1960er Jahren die Physik. Den Nobelpreis für Physik für das Laser-Maser-Prinzip erhielten 1964 Charles Hard Townes, Nikolai Bassow und Alexander Prochorow.
Der Nobelpreis für Physik für die Halbleiterheterostrukturen, welche später in elektronisch-optischen Halbleiterbauelemente (Laser) realisiert wurden, ging 2000 an Schores Alfjorow und Herbert Kroemer, sowie Jack Kilby für integrierte Schaltkreise (IC).
Bereits ab 1935, in den Anfangsjahren der Quantenmechanik (vgl. die Bra-Ket-Theorie von Paul Dirac[13]), war die Theorie bzw. das Gedankenexperiment von Albert Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen bekannt geworden[14], siehe das Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon. Demnach können bei Teilchen mit gemeinsamem Ursprung Messungen ihrer Eigenschaften (wie etwa der Spinzustände) korreliert oder verschränkt sein.[15] Im Jahr 2022 wurden die Physiker Alain Aspect, John Clauser und Anton Zeilinger dann für ihre Arbeiten zu diesem Thema mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Diese quantisierte Verschränkung ist heute noch Teil der Forschung und der Quantenoptik.
Es folgten viele weitere Entdeckungen und innovative Ansätze ab den 1990er Jahren, darunter die Laserkühlung. Für ihre Arbeiten erhielten Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji und William Daniel Phillips im Jahr 1997 den Nobelpreis für Physik.
Besondere Aufmerksamkeit fand die Quantenoptik in Zusammenhang mit Experimenten über die Quantenphysik und zu Quantencomputern.[16][17] Dabei haben die Physik-Nobelpreisträger des Jahres 2012, Serge Haroche und David Wineland, die Gültigkeit der quantenmechanischen Grundlagen (Lineare Superponierbarkeit quantenmechanischer Zustände, sowie „Zustandsprojektion“ als Folge von Quantenmessungen) auch bei (zerstörungsfreien) Messungen an Einzelobjekten nachgewiesen.
Seither hat sich die Quantenoptik zu einem interdisziplinären experimentellen und theoretischen Fachgebiet weiterentwickelt, das sich mit den physikalischen Phänomenen der Photonik, Optik und Quantenphysik befasst.[18]
Themen und Fachgebiete
Quantenoptik befasst sich mit der Forschung und Entwicklung der folgenden Themen (Auswahl).
Phänomene und Konzepte
- Atominterferometer
- Bellsche Ungleichung
- Bose-Einstein-Kondensat
- Chirped Pulse Amplification (CPA)
- Frequenzkammtechnik
- Interferenz eines einzelnen Photons mit sich selbst
- Laserkühlung
- Laserspektroskopie
- Mach-Zehnder-Interferometer
- Mach-Zehnder-Modulator
- Magneto-optische Falle
- Photon Bunching / Photon Antibunching
- Quantum Nondemolition Measurement
- Quantenteleportation
- Quantenverschränkung
- Qubit
- Schrödingers Katze
Fakultäten und Technologien
Verwandte oder angrenzende Fachgebiete sind außerdem die schnittstellenwissenschaften Attosekundenphysik, Nichtlinearen Optik, Quantentechnologie, Quanteninformatik, Quantenkryptographie (Quantenverschlüsselung), sowie die Technologie der Quantencomputer, Quantenbildgebung[19][20], Quantensensorik[21] basierend auf Qubits[22], Optoelektronik. Ein weiteres neues Fachgebiet ist die Nanophotonik bzw. integrierte Silicium-Photonik.[23][24] Sie verbindet die Nanotechnologie, die Nanoelektronik und die Quantenoptik.
Forschungsorganisationen
Weltweit existieren Organisationen, die sich mit Quantenoptik beschäftigen. Einige Beispiele:
- Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ), Deutschland
- Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI), Österreich
Siehe auch
Literatur
Fachbücher
- John Carson Garrison, Raymond Y. Chiao: Quantum Optics (= Oxford Graduate Texts). Oxford University Press, Oxford 2008, ISBN 978-0-19-850886-1 (englisch).
- Wolfgang Demtröder: Atoms, Molecules and Photons: An Introduction to Atomic-, Molecular- and Quantum Physics (= Graduate Texts in Physics). Springer Berlin Heidelberg, Berlin Heidelberg 2018, ISBN 978-3-662-55521-7, doi:10.1007/978-3-662-55523-1 (englisch).
- Hans‐A. Bachor, Timothy C. Ralph: A Guide to Experiments in Quantum Optics. Wiley, 2019, ISBN 978-3-527-41193-1, doi:10.1002/9783527695805 (englisch).
- Thomas P. Pearsall: Quantum Photonics (= Graduate Texts in Physics). 2nd Auflage. Springer International Publishing, Cham 2020, ISBN 978-3-030-47324-2, doi:10.1007/978-3-030-47325-9 (englisch).
- Ulrich Hohenester: Nano and Quantum Optics: An Introduction to Basic Principles and Theory (= Graduate Texts in Physics). Springer International Publishing, Cham 2020, ISBN 978-3-030-30503-1, doi:10.1007/978-3-030-30504-8 (englisch).
- Pierre Meystre: Quantum Optics: Taming the Quantum (= Graduate Texts in Physics). Springer International Publishing, Cham 2021, ISBN 978-3-030-76182-0, doi:10.1007/978-3-030-76183-7 (englisch).
- Miguel Orszag: Quantum Optics: Including Noise Reduction, Trapped Ions, Quantum Trajectories, and Decoherence. Springer International Publishing, Cham 2024, ISBN 978-3-031-54852-9, doi:10.1007/978-3-031-54853-6 (englisch).
- D. F. Walls, Gerard J. Milburn: Quantum Optics (= Graduate Texts in Physics). Springer Nature Switzerland, Cham 2025, ISBN 978-3-031-84176-7, doi:10.1007/978-3-031-84177-4 (englisch).
- Bahaa E. A. Saleh: Quantum Photonics: Bimodes, Qubits, and Biphotons (= Graduate Texts in Physics). Springer Nature Switzerland, Cham 2025, ISBN 978-3-031-89120-5, doi:10.1007/978-3-031-89121-2 (englisch).
- Krishna Thyagarajan: Integrated Quantum Photonics (= Graduate Texts in Physics). Springer Nature Switzerland, Cham 2025, ISBN 978-3-031-85727-0, doi:10.1007/978-3-031-85728-7 (englisch).
Theorie
- Die theoretischen Grundlagen der Photonenstatistik, Quantenelektrodynamik (QED) und Quantenfeldtheorie (QFT), sowie die Mathematische Formulierung der Quantenmechanik
- J. M. Jauch, F. Rohrlich: The Theory of Photons and Electrons (= Addison-Wesley Physics Books). Addison-Wesley Publishing Company, Reading, MA 1955 (englisch, archive.org).
- Rodney Loudon: The Quantum Theory of Light. Clarendon Press, Oxford, UK 1973 (englisch, archive.org – 3. Aufl. ISBN 978-0-198-50177-0).
- Hans A. Bethe, Edwin E. Salpeter: Quantum Mechanics of One- and Two-Electron Atoms. Springer US, Boston, MA 1977, ISBN 978-0-306-20022-9, doi:10.1007/978-1-4613-4104-8 (englisch).
- Ravinder Rupchand Puri: Mathematical Methods of Quantum Optics (= William T. Rhodes [Hrsg.]: Springer Series in Optical Sciences. Band 79). Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 2001, ISBN 978-3-642-08732-5, doi:10.1007/978-3-540-44953-9 (englisch).
- Stephen M. Barnett, Paul M. Radmore: Methods in Theoretical Quantum Optics (= Oxford Series in Optical and Imaging Sciences. Band 15). Clarendon Press, Oxford 2005, ISBN 978-0-19-856361-7.
Ältere Werke, Klassiker und Geschichte
- Albert Messiah: Quantum Mechanics (Vol. I and II). Dover Publications, Garden City, New York 1958, ISBN 0-486-40924-4 (englisch, archive.org).
- John R. Klauder, E. C. G. Sudarshan: Fundamentals of Quantum Optics. Dover Publications, Mineola, NY 1968, ISBN 978-0-486-45008-7 (archive.org).
- R. W. Ditchburn: Light. 3rd Auflage. Academic Press, London 1976, ISBN 978-0-12-218150-4 (englisch, archive.org).
- Witlof Brunner, Wolfgang Radloff, Klaus Junge: Quantenelektronik (= Hochschulbücher für Physik. Band 36). 2. Auflage. Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin 1977.
- Harrie Stewart Wilson Massey: Atomic and Molecular Collisions. Taylor & Francis ; Wiley, London, New York 1979, ISBN 978-0-470-26742-4 (englisch, archive.org).
- Marlan O. Scully, M. Suhail Zubairy: Quantum Optics. Cambridge University Press, 1997, ISBN 978-0-521-43595-6, doi:10.1017/CBO9780511813993 (englisch, google.de).
- Harry Paul: Photonen: Eine Einführung in die Quantenoptik (= Teubner Studienbücher Physik). 2. Auflage. Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden 1999, ISBN 978-3-519-13222-6, doi:10.1007/978-3-322-90681-6.
- Thomas Walther, Herbert Walther: Was ist Licht? Von der klassischen Optik zur Quantenoptik (= Beck’sche Reihe C. H. Beck Wissen. Band 2122). 3. Auflage. Beck, München 2010, ISBN 978-3-406-44722-8.
Weblinks
- QuantumLab – Experimente mit einzelnen Photonen: Verschränkung, Quantenkryptographie, Quantenzufall, …
- Rainer Blatt: Vorlesungsskript Experimente der Quantenoptik (2003) ( vom 16. Oktober 2008 im Internet Archive)
- An introduction to quantum optics of the light field
- Quantenoptik. In: Lexikon der Physik. Spektrum Akademischer Verlag, abgerufen am 21. Mai 2023.
- Quantenoptik. In: Lexikon der Optik. Spektrum Akademischer Verlag, abgerufen am 1. Juli 2024.