Abstract In Fortführung von Untersuchungen des Jubilars und seiner Mitarbeiter in den 60er Jahren zu den Eigenschaften der kohärenten Zustände wird die Veränderung eines kohärenten Feldes unter der Wirkung von Zwei‐Photonen‐Absorption betrachtet. Dazu wird die vereinfachte Beschreibung dieses Absorptionsvorganges benutzt. Diese Beschreibung gewinnt man durch Summierung der Kurzzeitnäherung. Sie liefert eine enorme analytische Vereinfachung und eine anschauliche physikalische Interpretation. Wegen der zu einer merklichen Zwei‐Photonen‐Absorption nötigen hohen Intensität sind die durch diese Absorption verursachten quantenmechanischen Veränderungen ohne klassisches Analogon relativ klein. Überlagert man das so gewonnene Feld mit einem kohärenten, so kann die resultierende Photonenzahl stark reduziert werden. Diese Schwächung ist völlig verschieden von der durch Ein‐Photonen‐Absorption, weil hierbei das antibunching effektiv verstärkt wird. Dazu ist ein gleichzeitig vorhandenes squeezing notwendig. Dieses wird diskutiert, ohne aber auf die tiefere Problematik des squeezing einzugehen.
Abstract In Fortführung von Untersuchungen des Jubilars und seiner Mitarbeiter in den 60er Jahren zu den Eigenschaften der kohärenten Zustände wird die Veränderung eines kohärenten Feldes unter der Wirkung von Zwei‐Photonen‐Absorption betrachtet. Dazu wird die vereinfachte Beschreibung dieses Absorptionsvorganges benutzt. Diese Beschreibung gewinnt man durch Summierung der Kurzzeitnäherung. Sie liefert eine enorme analytische Vereinfachung und eine anschauliche physikalische Interpretation. Wegen der zu einer merklichen Zwei‐Photonen‐Absorption nötigen hohen Intensität sind die durch diese Absorption verursachten quantenmechanischen Veränderungen ohne klassisches Analogon relativ klein. Überlagert man das so gewonnene Feld mit einem kohärenten, so kann die resultierende Photonenzahl stark reduziert werden. Diese Schwächung ist völlig verschieden von der durch Ein‐Photonen‐Absorption, weil hierbei das antibunching effektiv verstärkt wird. Dazu ist ein gleichzeitig vorhandenes squeezing notwendig. Dieses wird diskutiert, ohne aber auf die tiefere Problematik des squeezing einzugehen.
Abstract Wir führen eine Reihe von elementaren optischen Experimenten mit einem nichtklassischen Lichtfeld durch, das über parametrische Fluoreszenz erzeugt wird und die Besonderheit aufweist, daß die Photonen ausschließlich paarweise auftreten. Beim Auftreffen auf einen verlustfreien, teildurchlässigen Spiegel werden die Photonen eines Paares gemäß einer Binomialverteilung auf das reflektierte und das transmittierte Bündel verteilt. Dieses Ergebnis ist unabhängig vom Kohärenzgrad. Die beobachtete Invarianz der Verteilung kann auf eine Balance zwischen quantenmechanischen Stimulations‐ und Interferenzeffekten in den Ein‐ und Ausgangsarmen des Strahlteilers zurückgeführt werden. Beim zweimaligen Durchlaufen eines Strahlteilers in einem Michelson‐Interferometer treten Interferenzen zwischen den verschiedenen möglichen Zweiphotonenzuständen im Interferometer auf. Das Korrelations‐Interferogramm für Photonenpaare besitzt eine höhere Auflösung als das Intensitäts‐Interferogramm für die Transmission einzelner Photonen. Wir deuten dieses Verhalten als quantenmechanische Interferenz zwischen der größeren Zahl von Möglichkeiten, die ein Photonenpaar im Vergleich zu einzelnen Photonen hat, das Interferometer zu durchlaufen. Die Anwendung dieser Überlegungen auf Lichtfelder mit Paaren von Photonen unterschiedlicher Energie führt zu Korrelations‐Interferogrammen, die deutlich von den mit klassischen Feldern aufgenommenen Interferogrammen abweichen.
Abstract Fragen der Photonenstatik von Lichtquellen sind in der Quantenoptik in den letzten Jahren sehr intensiv untersucht worden. Von besonderem Interesse ist dabei die Erzeugung der sogenannten nichtklassischen Strahlung. Diese ist nur bei einer quantenmechanischen Behandlung des Strahlungsfeldes erlaubt und kann nicht durch ein klassisches elektromagnetisches Feld dargestellt werden. Im Photonenbild entspricht der nichtklassischen Strahlung eine gleichmäßige Folge von Photonen. Ein solcher Lichtstrahl ist für die optische Kommunikation von sehr großem Interesse, da ein Optimum an Information übertragen werden kann; außerdem sind die Intensitätsschwankungen minimal. Aus diesem Grunde ist die Untersuchung der Bedingungen, die zur Erzeugung des nichtklassischen Lichtes führen, von großer Bedeutung. Es zeigt sich, daß die Herstellung der Strahlung in einem Maser/Laser dann möglich ist, wenn die Verluste außerordentlich klein gehalten werden; außerdem müssen die Energieaustauschprozesse zwischen Strahlungsfeld und Atomen sehr genau kontrolliert werden, so daß hierbei keine zusätzlichen Photonen verloren gehen. Diese Prozesse sind von grundsätzlichem Interesse, da sie eine Messung von Strahlungsfeldern erlauben, ohne daß dabei Photonen vernichtet werden, wie es normalerweise der Fall ist.
In einer vollständigen Theorie gibt es zu jedem Element der Realität stets ein entsprechendes Element. Eine hinreichende Bedingung für die Realität einer physikalischen Größe ist die Möglichkeit, sie mit Sicherheit vorherzusagen, ohne das System zu stören. In der Quantenmechanik schließt im Falle von zwei physikalischen Größen, die durch nicht-kommutierende Operatoren beschrieben werden, das Wissen von der einen das Wissen von der anderen aus. Dann ist entweder (1) die Beschreibung der Realität, die durch die Wellenfunktion in der Quantenmechanik gegeben wird, nicht vollständig oder (2) diesen beiden Größen kann nicht gleichzeitig Realität zukommen. Die Betrachtung des Problems, Vorhersagen bezüglich eines Systems auf der Grundlage von Messungen zu machen, die an einem anderen System, das zuvor mit dem ersteren in Wechselwirkung stand, ausgeführt wurden, führen auf das Ergebnis, daß wenn (1) falsch ist, dann auch (2) falsch ist. Man wird so zu dem Schluß geführt, daß die Beschreibung der Realität, wie sie von der Wellenfunktion geleistet wird, nicht vollständig ist.
Experimente mit einzelnen Photonen eignen sich, um faszinierende Eigenschaften der Quantenphysik zu demonstrieren. Die wohl interessanteste ist die Verschränkung. Bisher wurden Demonstrationsexperimentezu dieser Thematik mit polarisationsverschränkten Photonen erstellt. Nach einem Vorschlag von Franson haben wir einen Aufbau entwickelt, der es ermöglicht, die Verschränkung zweier Photonen hinsichtlichderen Frequenz darzustellen. Dabei werden Photonenpaare durch parametrische Fluoreszenz erzeugt und gelangen in räumlich getrennte Michelson-Interferometer. Innerhalb der Kohärenzlänge zeigt sich die klassisch erwartete Interferenz. Bei Armlängenunterschieden jenseits der Kohärenzlänge ist Zwei-Photonen-Interferenzmit einer Sichtbarkeit von 49% möglich, sofern die Armlängendifferenzen beider Interferometer identisch sind. Dieser nichtlokale Effekt kann im Demonstrationsexperiment vor Ort sowie online als interaktivesBildschirmexperiment nachvollzogen werden. Mit unserem Aufbau kann Zwei-Photonen-Interferenz und klassisch erwartete Interferenz ohne Umbauten gezeigt werden. Damit wird das Verschränkungsphänomen ohne den Wissensbereich Polarisation für die Schul- und Universitätsausbildung greifbar. Da zudem darauf geachtet wurde nur Standardmaterialien moderner Quantenoptiklabore zu verwenden, ist es vielerorts leicht möglich den Aufbau zu übernehmen. Das Experiment ist mit kurzer Erklärung auf http://www.QuantumLab.de verfügbar.
Licht wird meistens als elektromagnetische Welle beschrieben, die bezüglich ihrer Ausbreitungsrichtung transversal polarisiert ist. Diese Beschreibung ist für Lichtfelder, die lateral stark eingeschlossen sind aber nicht mehr zutreffend. Solche Lichtfelder weisen eine longitudinale Komponente in ihrem elektrischen Feld auf. Wenn dies der Fall ist, sind Spin- und Bahndrehimpuls des Lichtfeldes gekoppelt. Sie sind damit keine voneinander unabhängigen Größen mehr, was dazu führt, dass zum Beispiel der lokale Spindrehimpuls von der Ausbreitungsrichtung des Lichtfeldes abhängt. In dieser Arbeit wird die Wechselwirkung von Atomen, die an einer Nanofaser gefangen sind, und Licht, das Spin-Bahn-Kopplung aufweist, untersucht. In unserem System wird durch die Nanofaser eine Schnittstelle zwischen neutralen Cäsium-Atomen und dem evaneszenten Feld der stark geführten optischen Moden realisiert. Mit Hilfe einer optischen Zweifarben-Falle, die auf Dipolkräften beruht, sind die Atome nahe der Oberfläche der Nanofaser in zwei diametral gegenüberliegenden Reihen gefangen. Die besondere Polarisation des evaneszenten Feldes ermöglicht es, die beiden atomaren Ensembles gleichzeitig durch optisches Pumpen in unterschiedliche Zeeman-Zustände zu bringen. In dieser Arbeit wird außerdem gezeigt, dass die zustandsabhängige Verschiebung der Energieniveaus, die durch fiktive Magnetfelder induziert wird, von der räumlichen Position der Atome abhängt. Dies ermöglicht die unabhängige und kohärente Manipulation der beiden atomaren Ensembles mit Mikrowellenstrahlung. Photonen, die von den Atomen gestreut werden, koppeln durch die Spin-Bahn-Wechsel-wirkung von Licht unterschiedlich stark an Moden, die sich in entgegengesetzter Richtung in der Nanofaser ausbreiten. Hier wird gezeigt, dass diese Asymmetrie der Streuraten in die beiden Ausbreitungsrichtungen höher als 10:1 sein kann. Die Asymmetrie kann man abhängig von der Polarisation des anregenden Lichtfeldes sowie des inneren Zustandes der Atome beeinflussen. Hinzu kommt, dass die Spin-Bahn-Wechselwirkung von Licht in unserem System dazu führen kann, dass Lichtfelder abhängig von ihrer Ausbreitungsrichtung durch die Nanofaser unterschiedlich stark transmittiert werden. Basierend auf diesem Effekt wird gezeigt, dass eine optische Diode im Nanomaßstab realisiert werden kann, die auch mit einzelnen Photonen noch funktioniert.