Der folgende Vortrag hat zwei Teile. Teil 1 hat mit dem Internet zu tun und mit neuen Entwicklungen im Bereich des so genannten „ontological engineering“. Teil 2 hat zu tun mit der kantischen Philosophie und mit neuen Versuchen, diese Philosophie mit Hilfe der Quantenphysik zu unterstützen. Diese zwei Teile sind nicht vollkommen unabhängig voneinander, aber die Verbindung zwischen den zwei Teilen wird erst im Laufe des Vortrags klar werden.
Der folgende Vortrag hat zwei Teile. Teil 1 hat mit dem Internet zu tun und mit neuen Entwicklungen im Bereich des so genannten „ontological engineering“. Teil 2 hat zu tun mit der kantischen Philosophie und mit neuen Versuchen, diese Philosophie mit Hilfe der Quantenphysik zu unterstützen. Diese zwei Teile sind nicht vollkommen unabhängig voneinander, aber die Verbindung zwischen den zwei Teilen wird erst im Laufe des Vortrags klar werden.
Die Untersuchung kann im Bereich der Philosophie der Physik angesiedelt werden. Die Philosophie der Physik des 20. Jahrhunderts hat sich vor allem mit logischen und epistemologischen Problemen beschaftigt. Doch diese epistemologische Problematik schoepft die philosophischen Anregungen der Physik nicht aus. Die Physik kann auch Gegenstand ontologischer Untersuchungen werden, wenn man sich mit dem konkreten Inhalt der physikalischen Theorien beschaftigt. Die Arbeit gehoert zu den ontologischen Untersuchungen, die ihre Impulse aus der Quantentheorie erhalten. Dieses Buch zeigt, dass eine Reihe von Quantenentitaten einem auf dem aristotelischen Substanzbegriff basierenden Objektbegriff entsprechen. Dieses Ergebnis bedeutet, dass nicht alles in der Quantenwelt anders ist. So aussergewoehnlich die Quantenobjekte auch sein moegen, sie sind Objekte im gleichen Sinne wie die Objekte der Alltagserfahrung.
Während viele quantenoptische Phänomene in kalten Atomgasen gut etabliert sind, wie der Einzelphotonenemission (photon antibunching), dem gequetschten Licht (squeezed light), der Bose-Einstein Kondensation, und der Teleportation, stehen die quantenoptischen Untersuchungen in Halbleitern erst noch am Anfang. Die faszinierenden Resultate, die man in den atomaren Systemen erzielt hat, inspirieren die Physiker, auch ähnliche quantenoptische Effekte in Halbleitersystemen nachzuweisen. Im Gegensatz zur Quantenoptik mit verdünnten Atomgasen hat man es im Halbleiter mit einem komplizierten Vielteilchenproblem zu tun, welches durch die Coulombwechselwirkung zwischen den Elektronen und Löchern und durch die Kopplung mit der Umgebung des Halbleitermaterials dominiert wird. Dies ist der Grund dafür, dass der experimentelle Nachweis ähnlicher quantenoptischer Effekte in Halbleitern sehr schwierig ist. Jedoch gibt es schon Experimente welche nichtklassische Effekte in Halbleitern nachgewiesen haben. Speziell hat man mit Halbleiter Quantenpunkten die Einphotonenemission und die Erzeugung von polarisations-verschränkten Photonenpaaren gemessen. In der Tat stellen atomare- und Halbleiterquantenpunkt-Systeme innerhalb einer Mikrokavität geeignete Plattformen dar, in denen man systematische quantenoptische Untersuchungen als auch Pionierarbeit hinsichtlich Anwendungen in der Quanteninformation durchführen kann. Ein anderes interessantes Gebiet ist das der starken Licht-Materie Kopplung, in welcher die Licht-Materie Wechselwirkung stärker ist als die Dekohärenzrate des Atoms oder des Quantenpunkts und der Kavität. Dies resultiert in eine reversible Dynamik zwischen Licht und Materieanregung. In diesem Regime der starken Licht-Materie Kopplung ist die Jaynes-Cummings Leiter vorhergesagt und zeigt eine photonenzahlabhängige Aufspaltung der neuen Polariton-Zustände. Obwohl der halbklassische Effekt der Vakuum-Rabi-Aufspaltung schon experimentell beobachtet wurde in Quantenpunkten, steht der eindeutige Nachweis der quantenmechanischen Jaynes-Cummings Aufspaltung hauptsächlich wegen Dephasierungseffekten noch aus. Es ist klar, dass die Beobachtung der Jaynes-Cummings Leiter in Quantenpunkten ein bedeutender Schritt wäre auf dem Gebiet der Quantenoptik in Halbleitern. Hier ist auch wieder zu erwähnen, dass die Anstrengungen in Quantenpunkten durch die atomaren Systeme vorangetrieben werden, in denen man nicht nur die Vakuum-Rabi-Aufspaltung, sondern auch den Zwei-Photonen Polariton (second rung) gemessen hat, z.B. mittels der direkten Spektroskopie und der Photonenkorrelationsmessungen. In dieser Dissertation wird gezeigt, dass spektralaufgelöste Photonenkorrelations-Messungen der Resonanzfluoreszenz von realistischen Halbleiter-Quantenpunkten einen eindeutigen Nachweis des Zwei-Photonen Polaritons liefern können. Eine mikroskopische Theorie wird verwendet, um das Auftreten des Zwei-Photonen Polaritons und dessen optimale Anregungsbedingungen herauszuarbeiten. Das berechnete Photonenkorrelations-Spektrum zeigt eine gigantische, experimentell robuste, Resonanz an der Emissionsfrequenz des Zwei-Photonen Polaritons. Die Resonanzfluoreszenz-Gleichungen werden hergeleitet und gelöst im Rahmen einer vollquantisierten Multimoden-Theorie unter Anwendung einer Cluster Entwicklungsmethode. Ein reduziertes Modell wird hergeleitet, um den Ursprung der Auto- und Kreuzkorrelationen in der Zwei-Photonenemission der Resonanzfluoreszenz zu erklären. Diese Resonanzen werden mit dem Zwei-Photonen Polariton der Jaynes-Cummings Leiter in Verbindung gebracht. Die Gültigkeit des reduzierten Modells wird mit Hilfe von numerischen Rechnungen bestätigt. Weiterhin zeigt der Formalismus die direkte Verbindung zwischen der gequetschten Lichtemission und den Zuständen der Jaynes-Cummings Leiter in optisch angeregten Halbleitern.
Thema dieses Buches sind die philosophischen Probleme der Quantenphysik. Gäbe es allgemein akzeptierte Lösungen für diese, würde man nicht mehr von Problemen sprechen. Die Quantenphysik funktioniert, sie funktioniert ausgezeichnet. Aber im Unterschied zu einer anderen ausgezeichnet funktionierenden physikalischen Theorie, in der eine absolute, unhintergehbare Naturkonstante eine alles beherrschende Rolle spielt (der Relativitätstheorie), ist die Quantenphysik bis heute philosophisch nicht zufriedenstellend verstanden. In dieser Situation einschlägig interessierten Lesern, insbesondere den Nichtexperten unter diesen, nüchterne Gesichtspunkte des Nachdenkens zu bieten - das ist das Ziel dieses Buches, nicht mehr und nicht weniger.
Alle optischen Systeme haben den gleichen Zweck: Sie manipulieren Eigenschaften des Lichts, durch Interaktion mit Materie. In dieser Arbeit werden zwei wichtige Teilaspekte aus diesem Kontext untersucht, im linearen und im nicht-linearen Bereich. In Teil I werden die bekannten Bragg-Reflexionen in neuem Licht betrachtet. Bragg Reflexion findet statt, wenn Licht mit einem periodischen Medium interagiert. Die Bragg-Bedingung verknüpft den Gitterabstand in einem Kristall mit der Wellenlänge, die von ihm reflektiert wird. In dieser Arbeit werden die Bragg Reflexionen in gewellten Wellenleitern untersucht. Es wird gezeigt, dass die Bragg-Bedingung nicht ausreicht, um die Streuung in diesen Wellenleitern zu verstehen. Es wird numerisch und analytisch demonstriert, dass unebene Ränder eine neue Reflexionsbedingung schaffen, die über das einfache Bragg-Bild hinausgeht. Dieser Streueffekt, der Square Gradient Bragg-Mechanismus ist aus statistischen Streuansätzen bekannt. Er hängt mit der Krüummung des Randes zusammen und hat einen starken Einfluss auf die Wellenleitung in diesen Systemen. In dieser Arbeit wird die erste allgemeine Theorie für den Square Gradient Bragg Streumechanismus vorgestellt, die es ermöglicht, Voraussagen für einzelne Wellenleiter mit beliebig deformierten Rändern zu treffen. Eine weitere wichtige Eigenschaft des Lichts wird in Teil II dieser Arbeit untersucht: Die Verschränkung zwischen zwei Photonen. Verschränkung ist ein intuitiv nicht verständliches Phänomen, weil es in der uns umgebenden klassischen Welt kein Analogon hat. Insbesondere verletzt es unsere implizite Annahme eines lokalen Realismus, weil voneinander entfernte Teilchen scheinbar instantan miteinander wechselwirken können. In dieser Arbeit wird eine neue und verstimmbare Quelle für verschränkte Photonen entworfen. Die Photonenpaare werden in nicht-linearen Kristallen erzeugt, aber ihre Verschränkung wird rein geometrisch erzwungen. Dieser geometrische Ansatz erlaubt es, die Frequenz der Photonen einzustellen. Hier übertrifft diese neue Quelle ihre Vorgänger, die ausführlich besprochen werden. Die Verschränkung der erzeugten Photonen wird experimentell nachgewiesen.
W. Pauli jr. Über das Modell des Wasserstoffmolekülions. Ann. d. Phys. 68, 177–240, 1922, Nr. 11. Der erste Teil der Arbeit enthält allgemeine Betrachtungen über die Mechanik der Molekularmodelle und über die Zusammenstöße zwischen Molekülen und freien Elektronen. Zunächst wird für die tatsächlich vorkommenden Quantenbahnen die Forderuug der dynamischen Stabilität aufgestellt. Diejenigen mechanischen Bahnen, die aus der ursprünglichen Bahn durch unendlich kleine Änderung der Anfangsbedingungen hervorgehen, sollen dieser in ihrem ganzen geometrischen Verlauf unendlich benachbart bleiben. Es ist hierzu zu bemerken, daß nach neueren Ergebnissen sowohl die Stabilität der Bahnen als auch die feineren Einzelheiten der Bewegung in den stationären Zuständen selbst, im Falle, daß mehrere Elektronen vorhanden sind, nicht mit Hilfe der gewöhnlichen Mechanik beurteilt werden können. Im folgenden Teil der Arbeit wird diese Forderung indessen nur im Fall, daß ein einziges Elektron vorhanden ist, benutzt. Sodann wird hervorgehoben, daß der Zusammenstoß zwischen einem Molekül und einem freien Elektron zwar sicherlich nicht mit Hilfe der gewöhnlichen Mechanik beschrieben werden kann, daß aber doch in dem Grenzfall, wo die den stationären Zustand des Moleküls charakterisierenden Quanten zahlen sehr große Werte haben, die Anwendung der gewöhnlichen Mechanik auf den erwähnten Zusammenstoß asymptotisch zu richtigen statistischen Resultaten führen muß.