Photonenzahl

Photonenzahl bezeichnet in der Physik die Anzahl der Photonen in einem definierten System oder Modus. In der Quantenoptik wird häufig der Operator N̂ = â†â verwendet, dessen Eigenwerte n die Photonenzahl in einem Fockzustand |n> bezeichnen. Die Photonenzahl steht in direkter Beziehung zur Energie des Feldes, da ein Photon der Frequenz ν die Energie hν trägt; für einen Zustand mit N̂ = n gilt E = n hν.

Der Messwert der Photonenzahl ist zufällig und hängt vom Zustand des Lichtfeldes ab. Über einen Messzeitraum Δt ergibt sich eine Zufallsvariable n mit charakteristischer Verteilung: Kohärenzzustände führen zu einer Poissonverteilung, Thermallicht zu einer Bose-Einstein-Verteilung, während Fockzustände einen festen Wert n besitzen. Die Detektion enthält zusätzlich Verluste durch Effizienz, Dunkelzählungen und Hintergrundrauschen, die das gemessene n beeinflussen.

Photonenzahlmessungen erfolgen mit photonenzahlauflösenden Detektoren (PNRD) wie Transition-Edge-Sensoren oder supraleitenden Nanowire-Detektoren. Oft liefern Detektoren jedoch nur die Gesamtsumme der Counts über einen Messzeitraum; Korrekturen für Effizienz, Dunkelzählungen und Mehrfachzählungen sind nötig, um die zugrunde liegende Photonenzahlverteilung zu rekonstruieren.

Die Photonenzahl ist ein zentrales Konzept in der Quantenoptik, Informationstechnik und Messtechnik. Sie wird genutzt, um Lichtquellen zu characterisieren, Quantenzustände zu analysieren, Entanglement zu untersuchen und Präzisionsmessungen zu ermöglichen.