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Quantenoptik

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Datei:20 Universität Wien Boltzmanngasse Physik Labor Aspelmeyer Quantenoptik Ian Ehm.jpg
Labor für Quantenoptik an der Universität Wien (2025)

Die Quantenoptik, historisch auch Quantenelektronik, ist ein Teilgebiet der Physik, das sich mit der Wechselwirkung zwischen quantisiertem Licht und Materie befasst.<ref></ref><ref name=":0"></ref><ref>Michael Vollmer: Wechselwirkung von Strahlung mit Materie: Quantenoptik. In: Optik und ihre Phänomene. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 2024, ISBN 978-3-662-69308-7, S. 181–217, doi:10.1007/978-3-662-69309-4_4 (springer.com [abgerufen am 20. August 2026]).</ref>

Licht und elektromagnetische Strahlung generell weisen sowohl die typischen Eigenschaften von Wellen als 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[Bearbeiten]

Experimente in der Quantenoptik untersuchen die Wechselwirkung zwischen quantisiertem Licht und Materie.<ref name=":0" /> Als nahezu ideale Lichtquelle für Experimente hat sich hierbei der Laser herausgestellt, da dieser äußerst monochromatisch und kohärent ist.<ref></ref>

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[Bearbeiten]

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.<ref>Wilhelm Hallwachs: Ueber die Electrisirung von Metallplatten durch Bestrahlung mit electrischem Licht. In: Annalen der Physik und Chemie. Band 270, 8A, 1888, S. 731–734, doi:10.1002/andp.18882700809 (wiley.com [abgerufen am 29. Mai 2023]).</ref>

Max Planck stellte 1900 dann das Plancksche Strahlungsgesetz (schwarze Strahlung) auf.<ref>Deutsche Physikalische Gesellschaft (1899-1945): Verhandlungen der Deutschen physikalischen Gesellschaft. Friedr. Vieweg & Sohn, 1900, S. 202–204 (archive.org [abgerufen am 29. Mai 2023]).</ref><ref>Deutsche Physikalische Gesellschaft (1899-1945): Verhandlungen der Deutschen physikalischen Gesellschaft. Friedr. Vieweg & Sohn, 1900, S. 237–245 (archive.org [abgerufen am 29. Mai 2023]).</ref> 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 <math>\Delta E</math> möglich. Max Planck fand dabei den Zusammenhang <math>\Delta E=h\nu</math> mit der Frequenz <math>\nu</math> des Lichts.

Albert Einstein erklärte 1905 die Beobachtungen beim Photoelektrischen Effekt damit, dass auch das Licht selbst quantisiert sei<ref>A. Einstein: Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt. In: Annalen der Physik. Band 322, Nr. 6, 1905, S. 132–148, doi:10.1002/andp.19053220607 (wiley.com [abgerufen am 29. Mai 2023]).</ref>, wofür er 1921 den Nobelpreis für Physik erhielt. Drei Jahre später, 1924, leitete Satyendranath Bose Plancks Strahlungsgesetz aus der Quantenstatistik her.<ref>Bose: Plancks Gesetz und Lichtquantenhypothese. In: Zeitschrift für Physik. Band 26, Nr. 1, Dezember 1924, ISSN 1434-6001, S. 178–181, doi:10.1007/BF01327326 (springer.com [abgerufen am 30. Juli 2026]).</ref> 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<ref>Gilbert N. Lewis: The Conservation of Photons. In: Nature. Band 118, Nr. 2981, Dezember 1926, ISSN 1476-4687, S. 874–875, doi:10.1038/118874a0 (nature.com [abgerufen am 29. Mai 2023]).</ref>, 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.“

– Die Seite Vorlage:Person/styles.css hat keinen Inhalt.Gilbert Newton Lewis

Mit der Idee des Welle-Teilchen-Dualismus, die Louis de Broglie 1924 in seiner Dissertation<ref>Louis de Broglie: Recherches sur la théorie des Quanta. 25. November 1924 (hal.science [abgerufen am 18. Juni 2023] Migration - université en cours d'affectation).</ref> 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<ref></ref>, wie die Schrödinger-, Heisenberg- und Dirac-Darstellungen, auch auf Photonen angewendet werden. Die Interferenz von Lichtwellen ließ sich damit quantenmechanisch mit Wahrscheinlichkeitsamplituden beschreiben.<ref>Christopher Gerry, Peter L. Knight: Introductory Quantum Optics. Cambridge University Press, 2005, ISBN 978-0-521-52735-4, S. 3 (google.com [abgerufen am 18. Juni 2023]).</ref>

Vom Photon zur Quantenoptik[Bearbeiten]

Datei:Stimulated Emission.svg
Die stimulierte Emission ist der grundlegende physikalische Prozess, der die Verstärkung im Laser ermöglicht.

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<ref></ref>), war die Theorie bzw. das Gedankenexperiment von Albert Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen bekannt geworden<ref></ref>, siehe das Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon. Demnach können bei Teilchen mit gemeinsamem Ursprung Messungen ihrer Eigenschaften (wie etwa der Spinzustände) korreliert oder verschränkt sein.<ref>Carl A. Kocher: Quantum entanglement of optical photons: the first experiment, 1964–67. In: Frontiers in Quantum Science and Technology. Band 3, 22. August 2024, ISSN 2813-2181, doi:10.3389/frqst.2024.1451239 (frontiersin.org [abgerufen am 26. Juli 2026]).</ref> 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.<ref></ref><ref></ref> 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.<ref></ref>

Themen und Fachgebiete[Bearbeiten]

Quantenoptik befasst sich mit der Forschung und Entwicklung der folgenden Themen (Auswahl).

Phänomene und Konzepte[Bearbeiten]

Fakultäten und Technologien[Bearbeiten]

Verwandte oder angrenzende Fachgebiete sind außerdem die Schnittstellenwissenschaften Attosekundenphysik, Nichtlinearen Optik, Quantentechnologie, Quanteninformatik, Quantenkryptographie (Quantenverschlüsselung), sowie die Technologie der Quantencomputer, Quantenbildgebung<ref></ref><ref></ref>, Quantensensorik<ref></ref> basierend auf Qubits<ref></ref>, Optoelektronik. Ein weiteres neues Fachgebiet ist die Nanophotonik bzw. integrierte Silicium-Photonik.<ref></ref><ref></ref> Sie verbindet die Nanotechnologie, die Nanoelektronik und die Quantenoptik.

Forschungsorganisationen[Bearbeiten]

Weltweit existieren Organisationen, die sich mit Quantenoptik beschäftigen. Einige Beispiele:

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

Fachbücher[Bearbeiten]

Theorie[Bearbeiten]

Ältere Werke, Klassiker und Geschichte[Bearbeiten]

  • John R. Klauder, E. C. G. Sudarshan: Fundamentals of Quantum Optics. Dover Publications, Mineola, NY 1968, ISBN 978-0-486-45008-7 (archive.org).
  • Witlof Brunner, Wolfgang Radloff, Klaus Junge: Quantenelektronik (= Hochschulbücher für Physik. Band 36). 2. Auflage. Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin 1977.
  • 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[Bearbeiten]

Wiktionary: Quantenoptik – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise[Bearbeiten]

<references />

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