Wie schon im Fall des Lichtes diskutiert wurde (vgl. Abschnitt 6.2.1), teilt sich jede auf einen Körper auftreffende Strahlungsleistung Φ e in drei Teile Φ a , Φ r und Φ t auf, die durch die Prozesse Absorption, Reflexion und Transmission charakterisiert werden. Definiert man den Absorptionsgrad α = Φ a /Φ e , den Reflexionsgrad ϱ = Φ r /Φ e und den Transmissionsgrad τ = Φ t /Φ e , so verlangt der Energieerhaltungssatz die Gültigkeit der Beziehung Φ e = Φ a + Φ r + Φ t bzw. nach Division durch Φ e .
Wie schon im Fall des Lichtes diskutiert wurde (vgl. Abschnitt 6.2.1), teilt sich jede auf einen Körper auftreffende Strahlungsleistung Φ e in drei Teile Φ a , Φ r und Φ t auf, die durch die Prozesse Absorption, Reflexion und Transmission charakterisiert werden. Definiert man den Absorptionsgrad α = Φ a /Φ e , den Reflexionsgrad ϱ = Φ r /Φ e und den Transmissionsgrad τ = Φ t /Φ e , so verlangt der Energieerhaltungssatz die Gültigkeit der Beziehung Φ e = Φ a + Φ r + Φ t bzw. nach Division durch Φ e .
ZusammenfassungDas Mehrteilchenproblem der Atomphysik konnte, wie die meisten Probleme der Quantenphysik, erst auf Grund der modernen Quantenmechanik in Angriff genommen werden. Die ältere Bohrsche Quantentheorie hat bei der Behandlung des Mehrteilchenproblems vollkommen versagt, denn es zeigte sich, daß schon das einfachste Mehrteilchenproblem, das He-Problem, bei dem sich im Feld eines Kernes nur zwei Elektronen bewegen, zu unüberwindlichen Schwierigkeiten führte, und es ist auf Grund der Bohrschen Atomtheorie nicht gelungen, ein He-Modell zu konstruieren, das die Eigenschaften des He-Atoms zu erklären vermag. Durch die Entdeckung der Quantenmechanik, die man in erster Linie De Broglie, Heisenberg, Schrödinger und Dirac zu verdanken hat, änderte sich diese Lage mit einem Schlag. Durch die Quantenmechanik wurde für die gesamte Quantenphysik ein neues Fundament geschaffen, aus dem sich eine in sich geschlossene und widerspruchsfreie Theorie des Mehrteilchenproblems entwickeln konnte. Natürlich muß man gerade so wie beim berüchtigten astronomischen Drei- und Mehrkörperproblem darauf verzichten, das Problem in seinem vollen Umfang anzugreifen; es werden immer nur spezielle, in der Natur wichtige Teilprobleme zu lösen sein, und jedes dieser Teilprobleme erfordert wohlüberlegte und kunstvolle mathematische Approximationen.
Die Quantentheorie und die Theorie der quantenmechanischen Messung ermoglichen es, Aussagen uber quantenphysikalische Systeme (Atome, Kerne, Elementarteilchen) zu machen, die an diesen Systemen experimentell nachgepruft werden konnen.Beispiele fur solche Aussagen sind z.B. ,,das Elektron hat den Impuls p" oder ,,der Atomkern hat einen Drehimpuls J".Wie fur die Aussagen aller Wissensgebiete wird man zunachst auch fur diese Aussagen erwarten, daR sie den Regeln der Logik gehorchen.Tatsachlich ist das aber nicht der Fall.Es hat sich namlich gezeigt, daB von den Regeln der Aussagenlogik, die zuerst von den Stoikern aufgestellt wurden, spater im Mittelalter und in der modernen mathematischen Logik wieder aufgegriffen wurden, nur noch ein Teil fur Aussagen uber Quantenphanomene richtig bleibtl).2)3 9, 4).Einige dieser Regeln verlieren ihre Gultigkeit.Derjenige Teil der logischen Regeln, der auch noch in der Quantenphysik gilt, wird gewohnlich als Quantenlogik bezeichnet.Es handelt sich also bei der Quantenlogik nicht um eine ,,neue" Logik, die im Bereich des Atomaren gilt, sondern um eine restriktive Logik, die weniger enthalt als die uns bekannte klassische Aussagenlogik.Der heutige Physiker ist im allgemeinen leicht geneigt zu glauben, daR irgendeine Disziplin, die in der Philosophie vergangener Jahrhunderte fur wahr gehalten wurde, durch die moderne Physik widerlegt sei.Das kommt einerseits daher, daR viele Physiker empiristisch denken, d. h. in diesem Falle, daB sie geneigt sind zu glauben, man konne alle auf die Erfahrung bezogenen Behauptungen auch durch Erfahrungen -z.B. der Atomphysikwiderlegen. Anderseits sprechen fur eine solche Einstellung die schlechten Erfahrungen, die die Physik mit Begriffen und Satzen gemacht hat, die in der philosophischen Tradition uberliefert wurden.Die Verknupfung von Raum und Zeit in der Relativitatstheorie oder das Versagen des Kausalgesetzes in der Quantentheorie gehoren zu diesem Problemkreis.Man wird deshalb versucht sein, auch eine Restriktion der Aussagenlogik in der modernen Atomphysik einfach als eine neue Erfahrung hinzunehmen.Dies ist jedoch nicht ohne weiteres moglich.Die groRte Schwierigkeit, die sich einer solchen Einstellung entgegenstellt, ist die Tatsache, daB die klassische Aussagenlogik wahr ist.Und zwar ist die Aussagenlogik keineswegs in einem empirischen Sinne wahr, sondern sie ist wahr durch das unmittelbare Einleuchten (die Evidenz) ihrer Satze, deren Gultigkeit somit auf keinen bestimmten Gegenstandsbereich eingeschrankt ist.Wie das im Einzelnen 2x1 verstehen ist, sol1 im ersten Teil auseinandergesetzt werden.Nehmen wir zunachst einmal die Evidenz der klassischen Logik als gegeben an, so entsteht die Frage, wie es moglich sein kann, daR fur die Aussagen der Quantenphysik nur eine restriktive Logik, die Quantenlogik, gilt.
Die hier vorgestellten Experimente behandeln Methoden zur optischen Datenverarbeitung auf der Basis von kohärenten, adiabatischen Prozessen in einem Festkörpermedium. Insbesondere wurden „Stimulated Raman adiabatic Passage“ (STIRAP) und „Elektromagnetisch induzierte Transparenz“ (EIT), sowie die Lichtspeicherung durch EIT genutzt. Nachdem diese Effekte ausführlich in Gasen untersucht wurden, konnten sie in den letzten Jahren auch in speziellen Festkörpermedien demonstriert werden. In dieser Arbeit kommt ein seltenerd-dotierter Kristall zum Einsatz. Solche Medien verbinden die Vorteile von Festkörpern, wie leichte Handhabung und gute Skalierbarkeit mit langen Kohärenzzeiten, die für die Verwirklichung adiabatischer Prozesse unbedingt notwendig sind. Der Bereich der Datenverarbeitung teilt sich in zwei wesentliche Bestandteile, die Speicherung von Daten und die eigentliche Verarbeitung von Informationen. Hiermit beschäftigten sich auch die beiden Teile dieser Arbeit. Im ersten Teil wurde die Optimierung der Lichtspeicherung durch EIT demonstriert. Hierfür kamen verschiedene Verfahren zur Optimierung der Speicherdauer und -effizienz zum Einsatz. Zunächst wurde die Speicherdauer durch kohärente Anregung der Hyperfeinübergänge mit Hochfrequenzfeldern von einigen Mikrosekunden auf einige hundert Mikrosekunden erhöht. Die Speicherdauer liegt nun im Bereich der maximal möglichen Speicherdauer, die durch die Lebensdauer der Kohärenz im vorliegenden Material begrenzt wird. Weiterhin wurde die Effizienz der Lichtspeicherung durch Anwendung evolutionärer Algorithmen (EA) erhöht. Diese Algorithmen bestimmen Lösungen für ein gegebenes Problem mit Hilfe von Vererbung und Mutation und bilden hierdurch die natürliche Evolution nach. Diese Art von Optimierungsverfahren ist im Bereich der ultrakurzen Laserpulse seit Längerem bekannt. In dieser Arbeit wurden diese Verfahren erstmals auch auf den Bereich der adiabatischen Lichtspeicherung angewandt. Hierbei wurde zunächst die zeitliche Form der verwendeten Laserpulse verändert. Es ergab sich eine deutliche Abweichung von der Vorhersage der analytischen Rechnungen. Die in dieser Arbeit gefundenen Pulsformen verlaufen im Allgemeinen steiler, als die theoretisch vorhergesagten. Durch Simulationen konnte jedoch belegt werden, dass die abweichende Pulsform zu einem höheren Kohärenzaufbau führt. Der verbesserte Aufbau von Kohärenz wiederum erhöht die Intensität des ausgelesenen Pulses und somit die Speichereffizienz. Durch die Optimierung der Pulsform konnte die Speichereffizienz um einen Faktor 2 erhöht werden. Außerdem wurde die Präparation des Mediums durch den EA optimiert. Die verbesserte Präparation stellt eine höhere optische Dichte zur Verfügung. Zusätzlich wird das Medium so präpariert, dass die Form des Absorptionseinbruchs durch EIT eine Asymmetrie aufweist. Durch eine Asymmetrie können geringere Gruppengeschwindigkeiten des zu speichernden Nachweis-Pulses erzielt werden. Hierdurch kann ein größerer Anteil des Nachweis-Pulses gespeichert werden. Die Untersuchung der Asymmetrie ist noch nicht vollständig abgeschlossen. Laufende numerische Simulationen konzentrieren sich auf die genaue Form des EIT-Einbruchs. Der zweite Teil dieser Arbeit behandelt den Transfer elektronischer Besetzung durch STIRAP und einen verwandten Prozess, der über einen angeregten Zustand verläuft (b-STIRAP). Hierbei wurde zunächst die Anwendung beider Prozesse in Folge demonstriert, um zyklischen Transfer zu realisieren. Es konnten bis zu acht Transfers der Besetzung nachgewiesen werden. Die numerische Simulation des zyklischen Transfers stimmt zufriedenstellend mit den Messergebnissen überein. Bei der numerischen Untersuchung ergaben sich Evidenzen für einen weiteren adiabatischen Prozess, der ein Dreiniveausystem in einen angeregten Zustand überführt. Außerdem wurde der Einfluss von Zerfällen und Dekohärenz auf STIRAP und b-STIRAP untersucht. Die Pulsdauern der verwendeten Laserpulse wurden schrittweise vergrößert, um die Dauer der Prozesse in die Größenordnung der Dekohärenzzeit zu bringen. Hierbei wurde beobachtet, dass der Besetzungstransfer durch b-STIRAP mit der Lebensdauer der Kohärenz der Grundzustände abnimmt. Eine Abhängigkeit vom Zerfall des angeregten Zustands konnte nicht gezeigt werden. Die Reduktion des Besetzungstransfers durch diese Zerfälle ist im vorliegenden Medium zu gering, um mit dem hier verwendeten Aufbau experimentell nachgewiesen zu werden. Im Falle von STIRAP konnte keine Abhängigkeit von der Grundzustandskohärenz nachgewiesen werden. Eine geringe Reduktion war erst bei Pulsdauern von über 1ms zu beobachten. Diese Zeit übersteigt die Dekohärenzzeit um das Doppelte. Dieses Verhalten wird gegenwärtig noch nicht von der numerischen Simulation erfasst. Im dritten Teil dieser Arbeit wurde der zyklische Besetzungstransfer durch STIRAP und b-STIRAP für die experimentelle Realisierung eines durch Remacle et al. vorgeschlagenes Schemas genutzt, das die Herstellung eines rein optischen Volladierers mit kohärenten, adiabatischen Prozessen zum Ziel hat. Zunächst konnte der zyklische Transfer auf ein logisches Gatter – das XOR – übertragen werden. Das Schema zur Implemetierung eines Addierers benötigt die Detektion von Besetzung im angeregten Zustand. Durch die Messung von stimulierter Emission konnte Besetzungsinversion zwischen einem der Grundzustände und dem angeregten Zustand nachgewiesen werden, so dass das Addierglied experimentell verwirklicht werden konnte. Durch die Möglichkeit zur begrenzten zyklischen Anwendung konnte sogar ein Volladdierer gebildet werden.
Bevor wir uns mit dem Verhalten komplizierter Atome auseinandersetzen, müssen wir uns noch mit den Eigenschaften der Lichtquanten und dem Emissionsprozeß befassen. Dann können wir die charakteristischen Auswahlregeln verstehen, die bei den Spektral-übergangen gelten. Eine tiefergehende theoretische Beschreibung der Wechselwirkung zwischen Atomen und Quanten würde wiederum die Hilfsmittel der Quantenelektrodynamik erfordern, auf die wir hier verzichten müssen. Wir wollen uns daher in diesem und dem nächsten Abschnitt vor allem an die experimentellen Befunde halten, um die wichtigsten Eigenschaften der Lichtquanten kennenzulernen. In Abschn. 6.3 folgt dann eine quantenmechanische Behandlung des Emissionsprozesses für Dipolstrahlung.
Über Jahrhunderte hinweg teilte die Frage nach der Natur des Lichts die Wissenschaftler in zwei Lager. Zum einen in Vertreter der Teilchenhypothese, zum anderen jedoch spätestens nach der Veröffentlichung der Maxwell-Gleichungen und dem Nachweis elektromagneti- scher Wellen durch Heinrich Hertz in Anhänger der Wellentheorie von Licht. Erst mit der Entwicklung der Quantenmechanik zu Beginn des 20. Jahrhunderts erwiesen sich beide Theorien als gleichberechtigt. Bereits 1905 von Einstein postuliert, gelang der Nachweis einzelner Photonen, wie die Lichtteilchen mittlerweile genannt wurden, erst im Jahr 1977 durch Kimble et al., Experimente zur Wellennatur von Einzelphotonen erfolgten 1986 durch Grangier et al.. Seit den 1970er Jahren erfolgt die Präparation von Einzelphotonen nach immer neuen ex- perimentellen Ansätzen, die Entwicklung der Quanteninformation in den 1980er Jahren er- öffnet über die Untersuchung spannender quantenmechanischer Zusammenhänge hinaus ein praktisches Anwendungsfeld für Einzelphotonenquellen. Im Zentrum der vorliegenden Arbeit stand die Erzeugung von entarteten Einzelphotonenpaaren um 808 nm durch den nichtlinearen Prozess der parametrischen Abwärtskonversion vom Typ II in periodisch gepoltem Kaliumtitanylphosphat als nichtlinearem Medium. Die Emissionsspektren verschiedener Kristalle werden untersucht und Besonderheiten diskutiert, Details über das entartete Emissionsspektrum werden den Zweiphotoneninterferenzspektren aus Aufbauten nach Hong, Ou und Mandel bzw. Shih und Alley entnommen. Zugleich wird ein mathematisches Modell vorgestellt, das die exakte Beschreibung der Zweiphotoneninterferenzspektren ungefilterter Typ II-PDC-Photonen erlaubt. Die Emissionsspektren der einzelnen Photonen werden außerdem mit Hilfe von Autokorrelationsexperimenten untersucht, eine erfolgreiche Verletzung der Bellschen Ungleichung bestätigt die Möglichkeit der Präparation polarisationsverschränkter Zustände. Mit PDC in PPKTP steht damit eine zuverlässige und vielseitige Quelle für Einzelphotonen um 808 nm zur Verfügung. Neben der Erzeugung von Einzelphotonenpaaren durch PDC und ihrer Charakterisierung durch verschiedene Interferenzexperimente wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit außerdem zwei Anwendungsansätze verfolgt: Durch Differenzfrequenzerzeugung zwischen einem Einzelphoton und einem klassischen Pumpfeld sollte eine Zweiphotonenquelle implementiert werden, deren grundsätzliche Idee hier skizziert wird. Ein zweites Anwendungsfeld stellt die oben bereits angesprochene Quanteninformationsverarbeitung dar, die beschriebene Einzelphotonenquelle wird verwendet, um ein Sende-Modul für den Quantenschlüsselaustausch nach dem BB84-Protokoll zu implementieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Aufbau entwickelt, der auf die Verwendung aktiver optischer Elemente zur Zustandspräparation verzichtet und das Zentrum einer Schlüsselaustauschstrecke nach BB84 bildet.