Quantenoptik

Grundidee und Bedeutung

Die Quantenoptik, historisch auch Quantenelektronik genannt, ist ein Teilgebiet der Physik. Sie untersucht die Wechselwirkung zwischen quantisiertem Licht und Materie. „Quantisiert“ bedeutet, dass Energie nicht in beliebigen Mengen, sondern nur in bestimmten Portionen, den Quanten, ausgetauscht wird. Die Lichtquanten heißen Photonen.

Licht und elektromagnetische Strahlung besitzen sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften. Dies wird als Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet. Die klassische Optik beschreibt Licht vor allem mithilfe der geometrischen Optik und der Wellenoptik. Die Quantenoptik behandelt dagegen besonders diejenigen Eigenschaften, die sich aus der Teilchennatur des Lichts ergeben. Sie ist wichtig für das Verständnis grundlegender quantenmechanischer Vorgänge und für moderne Technologien wie Laser, Quantencomputer, Quantenkryptographie und Quantensensoren.

Forschungsgegenstand und Methoden

Experimente der Quantenoptik untersuchen, wie quantisiertes Licht mit Atomen, Molekülen und strukturierten Festkörpern wechselwirkt. Als nahezu ideale Lichtquelle dient häufig der Laser, weil sein Licht äußerst monochromatisch und kohärent ist. Monochromatisch bedeutet, dass es nahezu nur eine Frequenz beziehungsweise Farbe besitzt. Kohärent heißt, dass zwischen den Lichtwellen feste Phasenbeziehungen bestehen.

Die Fragestellungen überschneiden sich mit der Atomphysik, Molekülphysik und der Physik strukturierter Festkörper. Modelle und Erkenntnisse der Quantenoptik werden unter anderem in der Laserphysik, Halbleiterphysik, Photonik, Quantenphysik und Quantenchemie eingesetzt, beispielsweise bei der Untersuchung von Molekülen und Spektren.

Entdeckung der Quantennatur des Lichts

1887 zeigten Beobachtungen zum äußeren photoelektrischen Effekt Grenzen der reinen Wellentheorie. Bei diesem Effekt löst ultraviolettes Licht Elektronen aus einem Metall. Wilhelm Hallwachs beobachtete, dass sich oberhalb einer bestimmten Grenzenergie durch eine weitere Erhöhung der Strahlungsintensität keine zusätzlichen Elektronen herauslösen ließen.

Max Planck formulierte 1900 das Plancksche Strahlungsgesetz für schwarze Strahlung. Er nahm an, dass Materie aus Oszillatoren besteht, für die nur diskrete, also voneinander getrennte Energieniveaus zulässig sind. Der Energieaustausch zwischen Materie und Licht erfolgt deshalb in bestimmten Portionen. Planck fand dafür den Zusammenhang ΔE = hν. Dabei ist ΔE die ausgetauschte Energie, h das Plancksche Wirkungsquantum und ν die Frequenz des Lichts. Diese Erkenntnis gilt als Beginn der Quantenphysik.

Albert Einstein erklärte 1905 den photoelektrischen Effekt mit der Annahme, dass auch das Licht selbst quantisiert ist. Dafür erhielt er 1921 den Nobelpreis für Physik. Satyendranath Bose leitete 1924 Plancks Strahlungsgesetz aus der Quantenstatistik her; das Strahlungsfeld konnte dadurch als Einstein-Bose-Gas behandelt werden. Photonen sind Bosonen und die Austauschteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung. Gilbert Newton Lewis schlug 1926 für das Lichtquant den Namen „Photon“ vor.

Louis de Broglie formulierte 1924 den Welle-Teilchen-Dualismus auch für Materie. Das Davisson-Germer-Experiment wies zwischen 1923 und 1927 Interferenzerscheinungen bei Elektronen nach und bestätigte damit deren Welleneigenschaften. Zugleich ließen sich die mathematischen Darstellungen von Schrödinger, Heisenberg und Dirac auf Photonen anwenden. Die Interferenz von Licht konnte nun quantenmechanisch durch Wahrscheinlichkeitsamplituden beschrieben werden.

Entwicklung zum modernen Fachgebiet

Ein zentraler Vorgang ist die stimulierte Emission: Ein einfallendes Photon regt ein geeignetes System dazu an, ein weiteres passendes Photon auszusenden. Dieser Prozess ermöglicht die Lichtverstärkung im Laser. Die Quantenelektronik ging ursprünglich aus der Theorie der Laser hervor. Maser und halbleiterbasierte Laser revolutionierten ab den 1960er Jahren die Physik. Charles Hard Townes, Nikolai Bassow und Alexander Prochorow erhielten 1964 den Nobelpreis für Physik für das Laser-Maser-Prinzip.

Seit 1935 war durch das Gedankenexperiment von Albert Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen bekannt, dass Messungen an Teilchen gemeinsamen Ursprungs korreliert oder verschränkt sein können. Quantenverschränkung bedeutet, dass die messbaren Eigenschaften solcher Teilchen quantenmechanisch miteinander verbunden sind. Alain Aspect, John Clauser und Anton Zeilinger erhielten 2022 für Arbeiten zu diesem Thema den Nobelpreis für Physik. Verschränkung bleibt ein wichtiges Forschungsgebiet der Quantenoptik.

Ab den 1990er Jahren entstanden weitere experimentelle Verfahren, darunter die Laserkühlung. Dabei werden Teilchen mithilfe von Laserlicht abgebremst und dadurch gekühlt. Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji und William Daniel Phillips erhielten dafür 1997 den Nobelpreis für Physik. Serge Haroche und David Wineland, die Physik-Nobelpreisträger von 2012, bestätigten quantenmechanische Grundlagen wie die lineare Überlagerung von Zuständen und die Zustandsprojektion infolge einer Messung auch durch zerstörungsfreie Messungen an Einzelobjekten. Heute ist die Quantenoptik ein interdisziplinäres theoretisches und experimentelles Fachgebiet an den Schnittstellen von Photonik, Optik und Quantenphysik.

Zentrale Themen und Technologien

Zu den untersuchten Phänomenen und Konzepten gehören:

• die Interferenz eines einzelnen Photons mit sich selbst sowie Atominterferometer und Mach-Zehnder-Interferometer;
• die Bellsche Ungleichung und Quantenverschränkung;
• Quantenteleportation, bei der ein Quantenzustand mithilfe von Verschränkung übertragen wird;
• Qubits, die grundlegenden Informationseinheiten der Quanteninformatik;
• Bose-Einstein-Kondensate, Laserkühlung und magneto-optische Fallen;
• Photon Bunching und Photon Antibunching, also das gehäufte beziehungsweise vermiedene gemeinsame Auftreten von Photonen;
• Quantum Nondemolition Measurement, eine Messung, die ein untersuchtes Objekt beziehungsweise die relevante Messgröße nicht zerstört;
• Laserspektroskopie, Frequenzkammtechnik und Chirped Pulse Amplification (CPA);
• Schrödingers Katze als Gedankenexperiment zur Überlagerung quantenmechanischer Zustände.

Angrenzende Gebiete und Technologien sind Attosekundenphysik, nichtlineare Optik, Quantentechnologie, Quanteninformatik, Quantenkryptographie, Quantencomputer, Quantenbildgebung, auf Qubits beruhende Quantensensorik und Optoelektronik. Die Nanophotonik beziehungsweise integrierte Silicium-Photonik verbindet Nanotechnologie, Nanoelektronik und Quantenoptik. Beispiele für Forschungsorganisationen sind das Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Deutschland und das Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) in Österreich.