Quantenoptik

Quantenoptik ist ein Teilgebiet der Physik, das die Wechselwirkung von Licht mit Materie auf der Quantenebene beschreibt. Sie behandelt Licht als Quantensystem, dessen Zustände durch Photonen und Quantenfelder charakterisiert werden. Typische Fragestellungen betreffen Kohärenz, Verschränkung von Lichtzuständen, Photonenzählstatistiken und die Erzeugung nichtklassischer Lichtzustände wie Squeezed States. Die Quantenoptik bildet die Grundlage vieler Anwendungen in der Quanteninformation, der Quantenkommunikation, der hochpräzisen Mess- und Bildgebung sowie der Grundlagenforschung.

Theoretische Grundlagen umfassen Quanten-Elektrodynamik (QED) in optischen Systemen und Theorien der Quantenoptik wie die Glauber-Theorie der Kohärenz. Modelle wie das Jaynes–Cummings-Modell in der Cavity QED dienen der Beschreibung der Wechselwirkung zwischen diskreten Materiezuständen (z. B. Atome oder Qubits) und dem quantisierten Lichtfeld. In Experimenten werden Licht in optischen Kavitäten, an Beamsplittern oder mit Homodyne- oder Heterodyne-Detektoren untersucht. Wichtige Experimente umfassen Antibunching, Hong–Ou–Mandel-Interferenz und Bell-Tests, die die Quantennatur des Lichts belegen.

Anwendungen reichen von metrologischer Präzision durch quantenoptische Zustände wie Squeezed Light, über Quantenkommunikation (QKD) bis hin zu Quanteninformationsverarbeitung, Quantencomputer-Netzwerken, Quantenbildgebung und fortschrittlicher Spektroskopie. In der Forschung dienen Quantenoptik-Tools auch der Entwicklung neuer Quantenquellen, Kavitäten- und Detektortechniken sowie der Integration in Mikro- und Nanostrukturen. Wichtige Meilensteine umfassen Beiträge von Roy Glauber (Nobelpreis 2005) und von Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji und William D. Phillips (Nobelpreis 1997) für Laser-Kühlung und -Trapung. Die Quantenoptik ist damit ein zentrales Bindeglied zwischen Grundlagenphysik und anwendungsorientierter Quantentechnologie.