imported>Aka: Tippfehler entfernt, Kleinkram

2025-08-20T18:38:21Z

Neue Seite

{{QS-Physik|Quantenoptik|Unerledigt=2012}}

Die '''Quantenoptik''', historisch auch '''Quantenelektronik''', ist ein Teilgebiet der [[Physik]], das sich mit der Wechselwirkung zwischen [[Licht]] und [[Materie]] befasst. Licht und [[elektromagnetische Strahlung]] generell weisen sowohl die typischen Eigenschaften von Wellen wie auch von Teilchen auf. Die elementaren Teilchen werden Lichtquanten oder [[Photon]]en genannt. In Abgrenzung zur klassischen Optik, die [[geometrische Optik]] und [[Wellenoptik]] umfasst, beschäftigt sich die Quantenoptik mit den Eigenschaften von Licht, die durch dessen Teilchennatur erklärt werden.

Fragestellungen der Quantenoptik berühren die [[Atomphysik]], die [[Molekülphysik]] und die Physik strukturierter Festkörper. Anwendungen finden die Modelle und Erkenntnisse der Quantenoptik in der [[Laserphysik]], der [[Halbleiterphysik]], der [[Photonik]] und der [[Quantenchemie]].

== Geschichte ==
[[Datei:Photoelectric-effect.svg|mini|Beispielhafte Zahlenwerte zur Illustration der Abhängigkeit des photoelektrischen Effekts von der Energie des eintreffenden Photons. Das Photon links im Bild hat mit 1,77 Elektronenvolt nicht genug Energie um ein Elektron aus dem Metall auszulösen.]]
Grundlage für das Gebiet der Quantenoptik ist die Erkenntnis, dass Licht quantisiert ist. Das bedeutet, dass es Energie nur in Portionen, sogenannten [[Quant]]en (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 [[Photoelektrischer Effekt|Photoelektrischen Effektes]]. Dabei werden durch ultraviolettes Licht Elektronen aus einem Metall herausgelöst. So beobachtete [[Wilhelm Hallwachs (Physiker)|Wilhelm Hallwachs]], dass sich oberhalb einer gewissen Grenzenergie durch Erhöhung der Intensität der Bestrahlung keine weiteren Elektronen herauslösen ließen.<ref>{{Literatur |Autor=Wilhelm Hallwachs |Titel=Ueber die Electrisirung von Metallplatten durch Bestrahlung mit electrischem Licht |Sammelwerk=Annalen der Physik und Chemie |Band=270 |Nummer=8A |Datum=1888 |DOI=10.1002/andp.18882700809 |Seiten=731–734 |Online=https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/andp.18882700809 |Abruf=2023-05-29}}</ref>

[[Max Planck]] stellte 1900 dann das [[Plancksches Strahlungsgesetz|Plancksche Strahlungsgesetz]] auf.<ref>{{Literatur |Autor=Deutsche Physikalische Gesellschaft (1899-1945) |Titel=Verhandlungen der Deutschen physikalischen Gesellschaft |Verlag=Friedr. Vieweg & Sohn |Datum=1900 |Seiten=202-204 |Online=http://archive.org/details/verhandlungende01goog |Abruf=2023-05-29}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Deutsche Physikalische Gesellschaft (1899-1945) |Titel=Verhandlungen der Deutschen physikalischen Gesellschaft |Verlag=Friedr. Vieweg & Sohn |Datum=1900 |Seiten=237–245 |Online=http://archive.org/details/verhandlungende01goog |Abruf=2023-05-29}}</ref> Diesem liegt die Annahme zugrunde, dass Materie aus Oszillatoren besteht, bei denen nur diskrete [[Energieniveau]]s 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>{{Literatur |Autor=A. Einstein |Titel=Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt |Sammelwerk=Annalen der Physik |Band=322 |Nummer=6 |Datum=1905 |DOI=10.1002/andp.19053220607 |Seiten=132–148 |Online=https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/andp.19053220607 |Abruf=2023-05-29}}</ref>, wofür er 1921 den [[Nobelpreis für Physik]] bekam. Das Wissen über die quantisierte Natur des Lichts bereitete die Grundlage für Erkenntnisse der [[Atomphysik]], wie das [[Bohrsches Atommodell|Bohrsche Atommodell]]. Für das Lichtquant schlug [[Gilbert Newton Lewis]] 1926 den Namen ''Photon'' vor<ref>{{Literatur |Autor=Gilbert N. Lewis |Titel=The Conservation of Photons |Sammelwerk=Nature |Band=118 |Nummer=2981 |Datum=1926-12 |ISSN=1476-4687 |DOI=10.1038/118874a0 |Seiten=874–875 |Online=https://www.nature.com/articles/118874a0 |Abruf=2023-05-29}}</ref>, er schrieb dazu: {{Zitat|Text=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.|Autor=Gilbert Newton Lewis}}

Mit der Idee des [[Welle-Teilchen-Dualismus]], die [[Louis de Broglie]] 1924 in seiner Dissertation<ref>{{Literatur |Autor=Louis de Broglie |Titel=Recherches sur la théorie des Quanta |Datum=1924-11-25 |Kommentar=Migration - université en cours d'affectation |Online=https://theses.hal.science/tel-00006807 |Abruf=2023-06-18}}</ref> formulierte wurde klar, dass die quantenmechanischen Gesetzmäßigkeiten aus der Beobachtung von Licht auch für Elektronen und Materie allgemein gelten. Gleichzeitig konnten die mathematischen Formalismen der Quantenmechanik, wie die [[Schrödinger-Bild|Schrödinger-]], [[Heisenberg-Bild|Heisenberg-]] und [[Wechselwirkungsbild|Dirac-]] Darstellungen auch auf Photonen angewendet werden. Die Interferenz von Lichtwellen ließ sich damit quantenmechanisch mit [[Wahrscheinlichkeitsamplitude]]n beschreiben.<ref>{{Literatur |Autor=Christopher Gerry, Peter L. Knight |Titel=Introductory Quantum Optics |Verlag=Cambridge University Press |Datum=2005 |ISBN=978-0-521-52735-4 |Online=https://books.google.com/books?id=CgByyoBJJwgC&newbks=0&hl=de |Abruf=2023-06-18 |Seiten=3}}</ref>

== Experimente ==
Experimente in der Quantenoptik untersuchen die Wechselwirkung zwischen [[Licht]] und [[Materie (Physik)|Materie]].

Als nahezu ideale Lichtquelle für Experimente hat sich hierbei der [[Laser]] herausgestellt, da dieser äußerst monochromatisch und [[Kohärenz (Physik)|kohärent]] ist.

Besondere Aufmerksamkeit fand die Quantenoptik auch ab den 1990er Jahren in Zusammenhang mit Experimenten über die [[Quantenmechanik|Quantenphysik]] und zu [[Quantencomputer]]n. Dabei haben die Physik-Nobelpreisträger des Jahres 2012, [[Serge Haroche]] und [[David Wineland]], die Gültigkeit der quantenmechanischen Grundlagen ([[Superposition (Physik)|Lineare Superponierbarkeit]] [[Zustand (Quantenmechanik)|quantenmechanischer Zustände]], sowie „Zustandsprojektion“ als Folge von [[Quantenmessung]]en) auch bei ([[Quantum Nondemolition Measurement|zerstörungsfreien!]]) Messungen an Einzelobjekten nachgewiesen.

Weitere Stichworte, die die große Zahl von Aspekten des Gebietes beleuchten, sind unter anderem:

* [[Laserkühlung]]
* [[Magneto-optische Falle]]
* [[Bose-Einstein-Kondensat]]
* [[Atom-Interferometer]]
* [[Photonenstatistik]] ([[Photon Bunching]], [[Photon Antibunching]])
* [[Interferenz (Physik)|Interferenz]] eines einzelnen [[Photon]]s mit sich selbst
* [[Laserspektroskopie]]
* [[Quantencomputer]]
* [[Quantenkryptografie]]
* [[Schrödingers Katze]]

== Literatur ==
* [[Harry Paul (Physiker)|Harry Paul]]: ''Photonen. Eine Einführung in die Quantenoptik''. 2. Auflage. Teubner, Stuttgart 1999, ISBN 3-519-13222-2 ([http://d-nb.info/955272254/04 Inhaltsverzeichnis])
* [[Daniel Frank Walls|D.F. Walls]], Gerard J. Milburn: ''Quantum Optics'' Springer Science & Business Media, 2008 [https://books.google.de/books?id=LiWsc3Nlf0kC google.de]
* [[Marlan Scully|Marlan O. Scully]], [[Muhammad Suhail Zubairy|M. Suhail Zubairy]]: ''Quantum Optics'' Cambridge University Press, 1997 [https://books.google.de/books?id=20ISsQCKKmQC&pg=PR5 google.de]

== Weblinks ==
{{Wiktionary}}
* [http://www.quantumlab.de/ QuantumLab] – Experimente mit einzelnen Photonen: Verschränkung, Quantenkryptographie, Quantenzufall, …
* [[Rainer Blatt]]: {{Webarchiv |url=http://heart-c704.uibk.ac.at/LV/Quantenoptik/ |wayback=20081016022138 |text=Vorlesungsskript ''Experimente der Quantenoptik'' (2003)}}
* [http://gerdbreitenbach.de/gallery/ An introduction to quantum optics of the light field]
* {{Internetquelle|titel=Quantenoptik|hrsg=Spektrum Akademischer Verlag|zugriff=2023-05-21|werk=Lexikon der Physik|url=https://www.spektrum.de/lexikon/physik/quantenoptik/11876}}
* {{Internetquelle|titel=Quantenoptik|hrsg=Spektrum Akademischer Verlag|zugriff=2024-07-01|werk=Lexikon der Optik|url=https://www.spektrum.de/lexikon/optik/quantenoptik/2717}}

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4047990-0|LCCN=sh85109465}}

[[Kategorie:Quantenoptik| ]]
[[Kategorie:Physikalisches Fachgebiet]]

Quantenoptik - Versionsgeschichte

imported>Aka: Tippfehler entfernt, Kleinkram