DiDiese Arbeit stellt eine neue Theorie vor, die Quantenphysik, Relativitätstheorie und Kosmologie auf einem einzigen Grundprinzip aufbaut: Das Universum ist ein quanteninformationsverarbeitendes System, dessen Grundtakt die Planck-Frequenz ist. Diese Grundfrequenz ist nicht starr, sondern moduliert — ähnlich einer FM-Modulation in der Nachrichtentechnik. Diese Arbeit stellt eine neue Theorie vor, die Quantenphysik, Relativitätstheorie und Kosmologie auf einem einzigen Grundprinzip aufbaut: Das Universum ist ein quanteninformationsverarbeitendes System, dessen Grundtakt die Planck-Frequenz ist. Diese Grundfrequenz ist nicht starr, sondern moduliert — ähnlich einer FM-Modulation in der Nachrichtentechnik. Aus diesem Prinzip ergeben sich mehrere Schlussfolgerungen: Das scheinbare Interferenzmuster beim Doppelspaltexperiment ist keine echte Wellensuperposition, sondern ein Modulationsmuster des Grundtakts. Superposition und Quantenverschränkung im klassischen Sinne existieren nicht — die scheinbare Unbestimmtheit ist die Lücke zwischen zwei Planck-Takten. Die kosmologische Rotverschiebung erklärt sich durch denselben Modulationsfaktor, was die fließenden statt harten Spektralübergänge erklärt. Licht ist das primäre Informationsmedium des Universums. Die Theorie verbindet Einstein und Planck ohne Widerspruch und macht konkrete, überprüfbare Vorhersagen anhand bekannter Messdaten.
DiDiese Arbeit stellt eine neue Theorie vor, die Quantenphysik, Relativitätstheorie und Kosmologie auf einem einzigen Grundprinzip aufbaut: Das Universum ist ein quanteninformationsverarbeitendes System, dessen Grundtakt die Planck-Frequenz ist. Diese Grundfrequenz ist nicht starr, sondern moduliert — ähnlich einer FM-Modulation in der Nachrichtentechnik. Diese Arbeit stellt eine neue Theorie vor, die Quantenphysik, Relativitätstheorie und Kosmologie auf einem einzigen Grundprinzip aufbaut: Das Universum ist ein quanteninformationsverarbeitendes System, dessen Grundtakt die Planck-Frequenz ist. Diese Grundfrequenz ist nicht starr, sondern moduliert — ähnlich einer FM-Modulation in der Nachrichtentechnik. Aus diesem Prinzip ergeben sich mehrere Schlussfolgerungen: Das scheinbare Interferenzmuster beim Doppelspaltexperiment ist keine echte Wellensuperposition, sondern ein Modulationsmuster des Grundtakts. Superposition und Quantenverschränkung im klassischen Sinne existieren nicht — die scheinbare Unbestimmtheit ist die Lücke zwischen zwei Planck-Takten. Die kosmologische Rotverschiebung erklärt sich durch denselben Modulationsfaktor, was die fließenden statt harten Spektralübergänge erklärt. Licht ist das primäre Informationsmedium des Universums. Die Theorie verbindet Einstein und Planck ohne Widerspruch und macht konkrete, überprüfbare Vorhersagen anhand bekannter Messdaten.
Der Doppelspalt gehört zu den bekanntesten Experimenten der Quantenphysik. Seine Messergebnisse werden durch die etablierte Quantenmechanik mit hoher Präzision beschrieben. Die philosophische Frage beginnt dort, wo ein einzelner Versuch in einem konkreten, eindeutigen Ereignis endet, während die vorausgehende quantenmechanische Struktur mehrere interferierende Möglichkeiten umfasst. Die vorliegende Arbeit untersucht diese Spannung aus der Perspektive der Selbstreferenziellen Gegensatz-Theorie (SrGT). Im Zentrum stehen Gegenwart, Ereignis, Identität, Raum, Beziehung, Unbestimmtheit, Ursache, Zufall, Determinismus, Dekohärenz, Verschränkung und Freiheit. Die SrGT versteht das einzelne Quantenereignis nicht als nachträgliche Auswahl eines bereits vollständig feststehenden klassischen Weges, sondern als Vollendung einer Identitäts-Raum-Relation. Eine zentrale philosophische Unterscheidung lautet: Bestimmtheit ist nicht Vorausbestimmtheit; Nichtvorhersagbarkeit ist nicht notwendig Ursachlosigkeit. Die Arbeit entwickelt daraus einen Gegenwartsbegriff, in dem Wirklichkeit als Vollendung einer konkreten Relation verstanden wird, ohne daraus eine experimentell bestätigte Alternative zur Quantenmechanik oder einen Beweis einer bestimmten Metaphysik abzuleiten. Die Arbeit ist eine philosophische Fortsetzungs- und Synthesearbeit auf Grundlage der beiden SrGT-Doppelspaltarbeiten Teil I und Teil II. christian.janisch@srgt-research.org
Mit Hilfe der Semiotik wird untersucht, wie es der Quantenphysik gelingt, Formeln plausibel zumachen, deren zugrunde liegender physikalischer Sachverhalt nicht einem Alltagsverständnis bzw. einem Verständnis im Sinne der klassischen Physik zugänglich ist. Dabei geht es um eine allgemein anerkannte Art des Verständlichmachens bestimmter physikalischer Formeln jenseits der individuellen Ausprägung von Fähigkeiten des Erklärens und Verstehens, sozialer Phänomene und geschichtlicher Entwicklungen, indem man diesen Formeln jeweils ein bestimmtes Experiment zur Seite stellt. Das Experiment ist dabei so gewählt, dass das physikalische Phänomen, das in der Formel beschrieben wird, im Experiment untersucht wird, so dass sich die Formel dann als Auswertung des Experimentes ergibt. Um den schillernden Begriff des Verständnisses auf das für die Untersuchung Notwendige zu beschränken, wird der Begriff Plausibilisierung eingeführt. In einer hermeneutischen Herangehensweise wird ein geeignetes semiotisches Modell dieser wesentlichen argumentativen Figur der Physik anhand von drei Beispielen physikalischer Phänomene entwickelt: die geradlinige Bewegung eines Körpers mit konstanter Geschwindigkeit für die klassische Physik, das Spektrum des energetisch angeregten Wasserstoffs für die ältere Quantenphysik und die Streuung von Elektronen am Doppelspalt für die moderne Quantenphysik. Für jedes der drei Beispiele lassen sich die betreffende Formel und das zugehörige Experiment jeweils als Zeichen auffassen. Lässt sich die Situation der klassischen Physik gut mit dreistelligen Zeichen erfassen, erweist sich der zweistellige Zeichenbegriff für die Situation der Quantenphysik als adäquater. Die Plausibilisierung als Gefüge dieser beiden Zeichen zwingt nicht zu der Annahme, dass einer Formel als Kompositionen von Elementen der Ausdrucksseite eines gewöhnlichen Textes ein Element auf der Inhaltsseite entspricht. Vielmehr dient die zu plausibilisierende Formel dazu, Elemente der Wirklichkeit auf der Ausdrucks- und Inhaltsseite aufeinander zu beziehen. Die Wirkungsweise des Zeichens in der Plausibilisierung der Quantenphysik ist damit nicht negiert, sondern adäquater als beim gewöhnlichen Text in der Physik. Die Plausibilisierung erlaubt, die semantische Interpretation von Formeln zu relativieren, ohne auf ein Verständnis ihrer zeichenbezogenen Funktionsweise verzichten zu müssen.
Diese Arbeit entwickelt die Theorie im Rahmen des modalen Realismus und einer global kohärenten Wellenfunktion. Ich führe das Konzept der Spiralzeit ein, einer zeitlich unbegrenzten und richtungsorientierten Struktur, die eine selbstähnliche Hierarchie kosmologischer Zweige erzeugt. In dieser Formulierung entsteht Realität nicht durch energetische Prozesse, sondern entfaltet sich durch Auswahl aus einem ewig existierenden Konfigurationsraum. Jede Modulation der physikalischen Realität entspricht einem Pfad durch diese präexistente Mannigfaltigkeit von Möglichkeiten. Die Theorie liefert eine mathematische Beschreibung der Spiralzeit, untersucht ihre Implikationen für die Entstehung von Universen und bewertet zwei Regime: eines, in dem die Spiralexpansion die Anzahl der realisierten Universen erhöht, und ein anderes, in dem die strukturelle Kopplung die Verzweigungsrate verringert.Die Arbeit diskutiert die theoretische Konsistenz, beobachtbare Einschränkungen und mögliche Wege für zukünftige empirische Relevanz. Kurz gesagt: Die beobachtete Realität ist ein durch Dekohärenz ausgewählter relativer Zustand innerhalb einer globalen, unitar entwickelnden Wellenfunktion, in der alle möglichen Modulationen von Raum, Zeit und Feldern ontologisch bereits existieren und keine physikalische Erzeugung neuer Universen stattfindet.
Die vorliegende Arbeit bietet eine begriffliche Einordnung zentraler Konzepte der Quantenmechanik im Rahmen des Zeit–Energie–Universums (ZEU). Im Mittelpunkt stehen die Begriffe Superposition, Verschränkung und Wellenkollaps sowie deren Zusammenhang mit dem Konzept der Instanziierung. Ziel ist es nicht, zusätzliche physikalische Mechanismen einzuführen oder bestehende Theorien zu modifizieren, sondern bekannte Phänomene unter einem einheitlichen begrifflichen Gesichtspunkt zu betrachten. Dabei werden quantenmechanische Zustände als Struktur möglicher Instanziierungen verstanden, deren Festlegung nicht als physikalischer Prozess, sondern als logische Bestimmbarkeit innerhalb einer Ordnung eingeordnet wird. Die Betrachtung knüpft an den im ZEU entwickelten begrifflichen Rahmen an und versteht sich als dessen Anwendung auf ein konkretes physikalisches Feld. Sie bietet damit eine Perspektive, die es ermöglicht, bekannte physikalische Phänomene im Zusammenhang von Möglichkeit und Bestimmtheit neu zu betrachten und innerhalb dieses Rahmens weiter zu untersuchen.
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
Technologien, die im wesentlichen auf quantenmechanischen Gesetzen beruhen, wie die Quanteninformationsverarbeitung und die Quantenkommunikation, sind weltweit Gegenstand enormer Forschungsanstrengungen. Sie nutzen die einzigartigen Eigenschaften einzelner Quantenteilchen, wie zum Beispiel die Verschrankung und die Superposition, um ultra-schnelle Rechner und eine absolut abhorsichere Datenubertragung mithilfe von photonischen Qubits zu realisieren. Dabei ergeben sich Herausforderungen bei der Quantenkommunikation uber grose Distanzen: Die Reichweite der Ubertragung von Quantenzustanden ist aufgrund von Photonenverlusten in den Ubertragungskanalen limitiert und wegen des No-Cloning-Theorems ist eine klassische Aufbereitung der Information nicht moglich. Dieses Problem konnte uber den Einsatz von Quantenrepeatern, die in den Quantenkanal zwischen Sender und Empfager eingebaut werden, gelost werden. Bei der Auswahl
einer geeigneten Technologieplattform fur die Realisierung eines Quantenrepeaters sollten die Kriterien der Kompaktheit und Skalierbarkeit berucksichtigt werden. In diesem Zusammenhang spielen Halbleiterquantenpunkte eine wichtige Rolle, da sie sich nicht nur als Zwei-Niveau-Systeme ideal fur die Konversion und Speicherung von Quantenzustanden sowie fur die Erzeugung von fliegenden Qubits eignen, sondern auch mit den gangigen Mitteln der Halbleitertechnologie und entsprechender Skalierbarkeit realisierbar sind. Ein Schlussel zur erfolgreichen Implementierung dieser Technologie liegt in der Zusammenfuhrung des Quantenpunktes als Quantenspeicher mit einem Bauteil, welches einzelne Photonen einfangen und aussenden kann: ein Mikroresonator. Aufgrund der Lokalisierung von Elektron und Photon uber einen langeren Zeitraum auf den gleichen Ort kann die Effizienz des Informationstransfers zwischen fliegenden und stationaren Qubits deutlich gesteigert werden. Des Weiteren konnen Effekte der Licht-Materie-Wechselwirkung in Resonatoren genutzt werden, um hocheffiziente Lichtquellen zur Erzeugung nichtklassischen Lichts fur Anwendungen in der Quantenkommunikation zu realisieren.
Vor diesem Hintergrund werden in der vorliegenden Arbeit Halbleiterquantenpunkte mithilfe von spektroskopischen Methoden hinsichtlich ihres Anwendungspotentials in der Quantenkommunikation untersucht. Die verwendeten Quantenpunkte bestehen aus In(Ga)As eingebettet in eine GaAs-Matrix und sind als aktive Schicht in vertikal emittierende Mikroresonatoren auf Basis von dielektrischen Spiegeln integriert. Dabei werden entweder planare Strukturen verwendet, bei denen die Spiegel zur Erhohung der Auskoppeleffizienz von Photonen dienen, oder aber Mikrosaulenresonatoren, die es ermoglichen, Effekte der Licht-Materie-Wechselwirkung in Resonatoren zu beobachten. Zur Untersuchung der Strukturen wurden Messplatze zur Photolumineszenz-, Resonanzfluoreszenz-,Reflexions- und Photostromspektroskopie sowie zu Photonenkorrelationsmessungen erster und zweiter Ordnung aufgebaut oder erweitert und eingesetzt.
Reflexions- und Photolumineszenzspektroskopie an Mikrosaulenresonatoren mit sehr hohen Guten:
Eine der wichtigsten Eigenschaften eines Mikrosaulenresonators ist seine Gute, auch Q-Faktor genannt. Er beeinflusst nicht nur das Regime der Licht-Materie-Wechselwirkung, sondern auch die Hohe der Auskoppeleffizienz eines Quantenpunkt-Mikrosaulenresonator-Systems. Vor diesem Hintergrund wird eine Analyse der Verlustmechanismen, die eine Abnahme des Q-Faktors bewirken, durchgefuhrt. Dazu wird die Gute von Mikrosaulenresonatoren mit Durchmessern im Bereich von 2 − 8 µm mithilfe von Reflexions- und Photolumineszenzspektroskopie gemessen. Aufgrund der erhohten Absorption an nichtresonanten Quantenpunkten und freien Ladungstragern sind die Verluste bei den Messungen in Photolumineszenzspektroskopie hoher als in Reflexionsspektroskopie, wodurch die in Reflexionsspektroskopie ermittelten Q-Faktoren fur alle Durchmesser groser sind. Fur einen Quantenpunkt-Mikrosaulenresonator mit einem Durchmesser von 8 µm konnten Rekordguten von 184.000 ± 8000 in Photolumineszenzspektroskopie und 268.000 ± 13.000 in Reflexionsspektroskopie ermittelt werden.
Photostromspektroskopie an Quantenpunkt-Mikrosaulenresonatoren:
Durch einen verbesserten Messaufbau und die Verwendung von Mikrosaulenresonatoren mit geringen Dunkelstromen konnte erstmals der Photostrom von einzelnen Quantenpunktexzitonlinien in elektrisch kontaktierten Mikroresonatoren detektiert werden. Dies war Voraussetzung, um Effekte der Licht-Materie-Wechselwirkung zwischen einem einzelnen Quantenpunktexziton und der Grundmode eines Mikrosaulenresonators elektrisch auszulesen. Hierzu wurden Photostromspektren in Abhangigkeit der Verstimmung zwischen Exziton und Kavitatsmode unter Anregung auf die Saulenseitenwand sowie in axialer Richtung durchgefuhrt. Unter seitlicher Anregung konnte der Purcell-Effekt, als Zeichen der schwachen Kopplung, uber eine Abnahme der Photostromintensitat des Quantenpunktes im Resonanzfall nachgewiesen werden und der entsprechende Purcell-Faktor
zu Fp = 5,2 ± 0,5 bestimmt werden. Da die Transmission des Resonators bei der Anregung auf die Saulenoberseite von der Wellenlange abhangt, ist die effektive Anregungsintensitat eines exzitonischen Ubergangs von der spektralen Verstimmung zwischen Exziton und Resonatormode bestimmt. Dadurch ergab sich im Gegensatz zur Anregung auf die Seitenwand des Resonators eine
Zunahme des Photostroms in Resonanz. Auch in diesem Fall konnte ein Purcell-Faktor uber eine Anpassung ermittelt werden, die einen Wert von Fp = 4,3 ± 1,3 ergab. Des Weiteren wird die koharente optische Manipulation eines exzitonischen Qubits in einem Quantenpunkt-Mikrosaulenresonator gezeigt. Die koharente Wechselwirkung des Zwei-Niveau-Systems mit den Lichtpulsen des Anregungslasers fuhrt zu Rabi-Oszillationen in der Besetzungswahrscheinlichkeit des Quantenpunktgrundzustandes, die uber dessen Photostrom ausgelesen werden konnen. Uber eine Anderung der Polarisation des Anregungslasers wurde hier eine Variation der Kopplung zwischen dem Quantenemitter und dem elektromagnetischen Feld demonstriert.
Interferenz von ununterscheidbaren Photonen aus Halbleiterquantenpunkten:
Fur die meisten technologischen Anwendungen in der Quantenkommunikation und speziell in einem Quantenrepeater sollten die verwendeten Quellen nicht nur einzelne sondern auch ununterscheidbare Photonen aussenden. Vor diesem Hintergrund wurden Experimente zur Interferenz von ununterscheidbaren Photonen aus Halbleiterquantenpunkten in planaren Resonatorstrukturen durchgefuhrt. Dazu wurde zunachst die Interferenz von Photonen aus einer Quelle demonstriert. Im Fokus der Untersuchungen stand hier der Einfluss der Anregungsbedingungen auf die Visibilitat der Zwei-Photonen-Interferenz. So konnte in nichtresonanter Dauerstrichanregung ein nachselektierter Wert der Visibilitat von V = 0,39 gemessen werden. Um den nicht nachselektierten Wert der Visibilitat der Zwei-Photonen-Interferenz zu bestimmen, wurde die Einzelphotonenquelle gepulst angeregt. Wahrend die Visibilitat fur nichtresonante Anregung in die Benetzungsschicht uber ein Wiederbefullen und zusatzliche Dephasierungsprozesse durch Ladungstrager auf einen Wert von 12% reduziert ist, konnte unter p-Schalen-Anregung in einem Hong-Ou-Mandel-Messaufbau eine hohe Visibilitat von v = (69 ± 1) % erzielt werden. Auserdem wurde die Interferenz von zwei Photonen aus zwei raumlich getrennten Quantenpunkten
demonstriert. Hierbei konnte eine maximale Visibilitat von v = (39 ± 2)% fur gleiche Emissionsenergien der beiden Einzelphotonenquellen erzielt werden. Durch die Anderung der Photonenenergie uber eine Temperaturvariation eines der beiden Quantenpunkte konnten die Photonen der beiden Quellen zunehmend unterscheidbar gemacht werden. Dies auserte sich in einer Abnahme der Interferenz-Visibilitat. Um noch grosere Visibilitaten der Zwei-Photonen-Interferenz zu erreichen, ist die resonante Anregung des Quantenpunktexzitons vielversprechend. Deswegen wurde ein konfokales Dunkelfeldmikroskop fur Experimente zur Resonanzfluoreszenz aufgebaut und bereits Einzelphotonenemission sowie das Mollowtriplet im Resonanzfluoreszenzspektrum eines Quantenpunktexzitons nachgewiesen.