Polarisationszustands

Polarisationszustände bezeichnen den Zustand der Polarisation eines elektromagnetischen Wellenpakets. In der klassischen Optik beschreibt er die Orientierung der transversalen Feldkomponente und deren Phasenrelation; in der Quantenoptik beschreibt er den Zustand eines Photons oder allgemein eines zweidimensionalen Quantensystems.

Im klassischen Rahmen lässt sich die Polarisation durch Linear-, Kreisel- oder Elliptische Polarisation charakterisieren. Die Stokes-Parameter I, Q, U und V fassen die Intensität und die Art der Polarisation zusammen, während die Jones-Kalkulation den Feldvektor als Vektor in einem zweidimensionalen Zustandsraum beschreibt. Die Geometrie wird durch die Poincaré-Sphäre veranschaulicht, auf der jeder Polarisationstyp durch eine Richtung entspricht. Linearpolarisation wird durch einen Geradenwinkel, zirkulare Polarisation durch eine maximale Ausprägung von V beschrieben.

In der Quantenbeschreibung bilden Polarisationszustände einen zweidimensionalen Hilbertraum. Als Basis können horizontales |H⟩ und vertikales |V⟩ Polarisation verwendet werden; beliebige reine Zustände lassen sich als Superposition α|H⟩ + β|V⟩ darstellen, mit |α|^2 + |β|^2 = 1. Gemischte Zustände werden durch eine Dichteoperator ρ beschrieben. Geometrisch entspricht dies der Bloch-Kugel, wobei reine Zustände auf der Oberfläche liegen.

Messungen erfolgen durch Projektionsmessungen auf eine Polarisationsebene; Wahrscheinlichkeiten bestimmen sich nach der Born-Regel. Die Stokes-Parameter lassen sich durch Messungen in verschiedenen Basen rekonstruieren (Quanten-Tomografie).

Polarisationszustände finden breite Anwendung in der Optik und Quanteninformation, etwa in der Quantenkommunikation und QKD-Protokollen, bei der Erzeugung, Manipulation und Detektion von Photonenpolarisationen. Ihre Darstellung reicht von klassischen Beschreibungen bis hin zur quantenmechanischen Zustandsbeschreibung.