Abstract Wellenfunktion, Dichtematrix, Meßwertverteilungen, reine und gemischte Zustände: Diese abstrakten Konzepte aus der Quantenmechanik lassen sich durch moderne quantenoptische Experimente veranschaulichen. So gelang es kürzlich mit geeigneten Meßverfahren, die Zustände von einfachen Quantensystemen im Detail zu charakterisieren. Wir wollen dies am Beispiel des Lichtfeldes erläutern. Die dabei eingesetzten Techniken spielen eine wichtige Rolle bei der „Quantenkontrolle”︁.
Abstract Wellenfunktion, Dichtematrix, Meßwertverteilungen, reine und gemischte Zustände: Diese abstrakten Konzepte aus der Quantenmechanik lassen sich durch moderne quantenoptische Experimente veranschaulichen. So gelang es kürzlich mit geeigneten Meßverfahren, die Zustände von einfachen Quantensystemen im Detail zu charakterisieren. Wir wollen dies am Beispiel des Lichtfeldes erläutern. Die dabei eingesetzten Techniken spielen eine wichtige Rolle bei der „Quantenkontrolle”︁.
AuszugDie Quantenoptik1 im engeren Sinne befaßt sich mit der Frage, wann die Quanteneigenschaften des elektromagnetischen Feldes (und nicht nur der Materie) bei der Licht-Materie-Wechselwirkung eine wahrnehmbare Rolle spielen. Dabei werden Begriffe wie „Photon“, „stimulierte“ und „spontane“ Emission über die schon in Kap. 6 hinaus gegebenen Deutungen zu klären sein. Am Beginn dieses Kapitels behandeln wir die Spontane Emission, die auch bei der Entstehung der Quantenelektrodynamik (QED) eine wichtige Rolle gespielt hat.
Die Quantenoptik1 im engeren Sinne befaßt sich mit der Frage, wann die Quanteneigenschaften des elektromagnetischen Feldes (und nicht nur der Materie) bei der Licht-Materie-Wechselwirkung eine wahrnehmbare Rolle spielen. Dabei werden Begriffe wie „Photon“, „stimulierte” und „spontane“ Emission über die schon in Kap. 6 hinaus gegebenen Deutungen zu klären sein. Am Beginn dieses Kapitels behandeln wir die Spontane Emission, die auch bei der Entstehung der Quantenelektrodynamik (QED) eine wichtige Rolle gespielt hat.
Abstract Ein Forschungsschwerpunkt der Quantenoptik ist die Erzeugung von nichtklassischem Licht und das Studium seiner Eigenschaften. Die Herstellung solcher Zustände beschränkte sich bis jetzt auf einige typische Beispiele. Als Quantenoptiker wünscht man sich zu Weihnachten besonders „schöne”︁ Feldzustände, für die es nicht so ganz klar ist, wie man sie konstruieren kann. Um solchen Wünschen entgegenzukommen, beschreiben wir hier ein Verfahren, das es im Prinzip erlaubt, einen beliebigen Zustand für das elektromagnetische Feld aufzubauen. Wir veranschaulichen diese Methode am Beispiel eines Phasenzustands.
Diese Doktorarbeit entwickelt den theoretischen, quantenoptischen Formalismus und beschreibt die dazugehörigen experimentellen Techniken, um die inneren Quantenzustände und den Schwerpunktsimpuls von Molekülen zu manipulieren, was für eine Laserkühlung von Molekülen erforderlich ist. Bisher war es nur möglich, Atome durch die Technik der Laserkühlung und zwar bis auf Nano-Kelvin abzukühlen, unter Ausnutzung einer Kombination aus kinetischen Effekten, dissipativen Mechanismen und der Bildung eines dunklen (nicht-absorbierenden) Zustandes. Gegenwärtig ist man der Ansicht, dass Laserkühlung im Falle von Molekülen nicht machbar sei und nur die bisherigen, nicht Laser-basierten Methoden anwendbar seien. Die komplexen inneren Energieniveaus der Moleküle verhindern die unmittelbare Anwendung der bisher bekannten Laser-Kühlungsmethoden. Neue Methoden sind erforderlich, um Moleküle mit Lasern zu kühlen. Hier wird theoretisch ein neuer Mechanismus entwickelt, um die Translationsfreiheitsgrade eines Gases von Molekülen mit Lasern auf Temperaturen unter Mikro-Kelvin zu kühlen unter Ausnutzung quantenoptischer Techniken. Das Schema beruht auf einer Aufeinanderfolge von Zyklen, bestehend aus drei einfachen Einzelschritten: Geschwindigkeitsselektion, Verzögerung und irreversible Akkumulation. Es überwindet ein seit langem bekanntes Hindernis: die Unmöglichkeit der Aufrechterhaltung einer wiederholten Abfolge des optischen Pumpens im Falle molekularer Niveaus. Nun sind weder ein geschlossener Pumpvorgang, noch wiederholte spontane Emissionen erforderlich. Das Konzept besteht aus einer Kombination von Laser-Techniken, die dazu dienen, die Impulsverteilung des molekularen Gases zu formen: Raman p-Pulse für die Geschwindigkeitsauswahl, stimulierter adiabatischer Raman Übergang (STIRAP) für die Abbremsung und eine einzige spontane Emission für die irreversible Akkumulation.
Die Quantenmechanik ist eine der wichtigsten Theorien der modernen Physik.Mit ihr lassen sich nicht nur grundlegende Phänomene wie z.B. das Emissionsspektrum von Atomen oder die Stabilität von Materie erklären, sondern sie steckt auch in vielen technischen Anwendungen vom MP3-Player bis zum Tunnelmikroskop, und in Zukunft werden wir vermutlich Technologien wie Quantenkryptographie oder Quantencomputer mit großer Selbstverständlichkeit einsetzen.Die Kenntnis der Quantenmechanik ist daher nicht nur ein Schlüssel für das Verständnis unserer Welt, sondern unabdingbar für die Entwicklung moderner Technologien.Folgerichtig wird die Quantenmechanik heute oft schon in der Schule gelehrt; in jedem Fall jedoch an Universitäten, wo sie in den meisten Naturwissenschaften und auch in vielen Ingenieurwissenschaften zum Curriculum gehört.Eine große Hürde bei der Vermittlung und damit auch auf dem Weg zum Verständnis der Quantenmechanik ist nun nicht, wie man etwa vermuten könnte, die Mathematik, auch wenn diese an der einen oder anderen Stelle sicherlich einige Herausforderungen beinhaltet, sondern die Sprache.Der Grund dafür liegt darin, dass Sprache kein gegebenes Konstrukt ist, welches unabhängig vom Menschen und dessen Wissen über die Welt existiert, sondern sich vielmehr im Laufe der Menschheitsgeschichte durch die Auseinandersetzung des Menschen mit seiner Umwelt entwickelt hat.Sprache ist damit auch immer ein Abbild der Welt, so wie sie der Mensch wahrnimmt.Und dass diese Wahrnehmung gelegentlich trügt, wissen wir spätestens seit Einstein, der uns gezeigt hat, dass unsere Vorstellung von Raum und Zeit nicht der physikalischen Wirklichkeit entspricht.Die Quantenmechanik führt uns nun, mehr noch als die Relativitätstheorie, weg von den uns vertrauten Vorstellungen von der physikalischen Wirklichkeit.Damit verliert aber auch die Sprache ihre Legitimation als ein Werkzeug zur Beschreibung der Quantenmechanik.Streng genommen verbleibt als einzig legitimer Zugang zur Quantenmechanik daher die Mathematik.Mit ihr lassen sich, aufbauend auf einer Handvoll Axiome, alle Gesetze der Quantenmechanik ableiten und damit alle physikalischen Beobachtungen korrekt und widerspruchsfrei beschreiben.Allerdings sind diese Axiome, im Gegensatz zu z.B. denen der Newton'schen Mechanik, alles andere als unmittelbar einsichtig.Um daher auch solchen Leserinnen und Lesern den Zugang zur Quantenmechanik zu ermöglichen, welche die Quantenmechanik nicht als Teildisziplin der Mathematik oder der theoretischen Physik betreiben wollen, werden wir in diesem Buch trotz aller Gefahren den Weg der Sprache und der Bilder beschreiten.Dabei gehen wir von wenigen einfachen Schlüsselexperimenten aus, mit denen sich die Grundgleichungen der Quantenmechanik anschaulich begründen lassen.Im Gegensatz zu vielen anderen Lehrbüchern greifen wir jedoch nicht auf das berühmte Doppelspaltexperiment mit Elektronen oder das Experiment von Stern-Gerlach zurück, sondern wir arbeiten in den ersten Kapiteln ausschließlich mit einem Interferometer und Polarisationsfiltern
Abstract Messungen an Lichtquanten zerstören diese normalerweise durch Absorption. Kürzlich gelang es einer Forschergruppe in Paris, ein einzelnes gespeichertes Photon mehrmals hintereinander zerstörungsfrei nachzuweisen. Sie verwendete dazu einen Resonator aus zwei supraleitenden Spiegeln, der ein Mikrowellenphoton 0,13 s lang speichern kann. Durch ihn schickten die Forscher Rubidium‐Atome im hoch angeregten Rydberg‐Zustand. Sie registrieren sehr empfindlich das elektrische Feld eines anwesenden Photons. Die Atome liefern so eine präzise Information über die Zahl der Photonen im Resonator, ohne diese zu zerstören. Mit dieser Methode gelang es erstmals, Quantensprünge des Lichtfeldes experimentell nachzuweisen. Zerstörungsfreie Quantenmessungen eignen sich auch zur Untersuchung exotischer Quantenzustände. Dazu zählen zum Beispiel Schrödinger‐Katzen‐Zustände.