Quantenoptik

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Die Quantenoptik, historisch auch Quantenelektronik, ist ein Teilgebiet der Physik, das sich mit der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie befasst. In Abgrenzung zur klassischen Optik ist Gegenstand der Quantenoptik die Erzeugung, die Ausbreitung, die Manipulation und der Nachweis von Licht in Situationen, in denen die durch die Quantenhypothese bedingte körnige Natur des Lichts nicht vernachlässigt werden kann.

Nach der Quantenhypothese weist Licht sowohl die typischen Charakteristika einer Welle wie auch eines Teilchenschwarms auf. Die elementaren Teilchen eines solchen Schwarms werden Photonen genannt. Ein einzelnes Photon besitzt dabei eine Energie von hf, mit dem Planckschen Wirkungsquantum h und der Frequenz f.

Fragestellungen der Quantenoptik berühren die Atomphysik, die Molekülphysik und die Physik strukturierter Festkörper. Anwendungen finden die Modelle und Erkenntnisse der Quantenoptik in der Laserphysik, der Halbleiterphysik, der Photonik und der Quantenchemie.

Experimente

Experimente in der Quantenoptik untersuchen die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie.

Als nahezu ideale Lichtquelle für Experimente hat sich hierbei der Laser herausgestellt, da dieser äußerst monochromatisch und kohärent ist.

Besondere Aufmerksamkeit fand die Quantenoptik auch ab den 1990er Jahren in Zusammenhang mit Experimenten über die Quantenphysik und zu Quantencomputern. 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.

Weitere Stichworte, die die große Zahl von Aspekten des Gebietes beleuchten, sind unter anderem:

• Laserkühlung
• Magneto-optische Falle
• Bose-Einstein-Kondensat
• Atom-Interferometer
• Photonenstatistik (Photon Bunching, Photon Antibunching)
• Interferenz eines einzelnen Photons mit sich selbst
• Laserspektroskopie
• Quantencomputer
• Quantenkryptografie
• Schrödingers Katze

Literatur

• Harry Paul: Photonen. Eine Einführung in die Quantenoptik. 2. Auflage. Teubner, Stuttgart 1999, ISBN 3-519-13222-2 (Inhaltsverzeichnis)

Weblinks

Wiktionary: Quantenoptik – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• QuantumLab – Experimente mit einzelnen Photonen: Verschränkung, Quantenkryptographie, Quantenzufall, …
• Rainer Blatt: Vorlesungsskript Experimente der Quantenoptik (2003) (Memento vom 16. Oktober 2008 im Internet Archive)
• An introduction to quantum optics of the light field