quantenoptische

Quantenoptik ist ein Zweig der Physik, der das Verhalten von Licht und seine Wechselwirkung mit Materie auf der Quantenebene untersucht. Im Zentrum stehen die Quantisierung des elektromagnetischen Feldes, Photonen als diskrete Energiepakete und nichtklassische Lichtzustände wie Verschränkung, Quantenüberlagerungen und Squeezing. Die Quantenoptik liefert Grundlagen für Quanteninformation, präzise Messverfahren und neue Kommunikationsformen.

Zentrale Konzepte umfassen die Beschreibung von Licht durch Feldoperatoren, Zustandsdarstellungen wie Fock-, Kohärenz- und Squeezed-States sowie Modelle der Quanten-Elektrodynamik (QED) und, in Hohlräumen, das Jaynes-Cummings-Modell. Experimentell werden diese Phänomene mit Bauteilen wie Quantenpunkten, nichtlinearen Kristallen, optischen Hohlräumen und interferometrischen Anordnungen realisiert, etwa Mach-Zehnder- oder Sagnac-Konfigurationen. Wichtige Quellen liefern spontane parametrische Down-Conversion in Kristallen, sowie deterministische Einzelphotonenquellen. Die Messung erfolgt mit Detektoren wie APDs und SNSPDs und fortgeschrittener Detektion.

Anwendungen umfassen sichere Quantenkommunikation (Quantenkryptographie, QKD), Quantencomputing mit optischen Quantenbits, Quantenmessung mit verbesserter Auflösung durch Squeezing und Verschränkung sowie Quantenbildgebung und Sensorik. Auf der technischen Seite treibt die Quantenoptik die Entwicklung von On-Chip-Photonik, integrierten Quantennetzen und Satellitenkommunikation voran.

Historisch entwickelte sich das Feld aus der Quantenkohärenztheorie der 1960er Jahre durch Roy Glauber, der die Lichtkohärenz formalisierte, und aus den Experimenten zur Erzeugung und Messung nichtklassischer Lichtzustände in den folgenden Jahrzehnten. Gegenwart und Zukunft der Quantenoptik zeichnen sich durch zunehmende Integration, verbesserte Detektoren und größere Vernetzung aus.