Integrierte Quantenoptik

I. Newton
Newton entdeckte, dass Licht aus kleinen Teilchen sog. Korpuskeln besteht, die neben den Atomen existieren. Mit dieser Erklärung ließ sich z. B. das Phänomen der Reflexion des Lichtes erklären: Bei Lichtreflexionen gilt, dass Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel ist. Der Winkel, in dem das Lichtteilchen auf eine reflektierende Fläche trifft, entspricht dem Winkel mit dem das Lichtteilchen zurückgeworfen wird.

C. Huygens
Parallel zur Korpuskeltheorie entwickelte sich die Wellentheorie des Lichts, die besagt, dass Lichtwellen Ähnlichkeit mit Wasserwellen haben. Das Ausbreitungsmedium ist jedoch nicht Wasser sondern Luft. Es dauerte aber noch 100 weitere Jahre bis sich die Wissenschaftler genauer mit der Wellentheorie auseinandersetzen.

von Майя Пчёлка (Eigenes Werk) [CC0], via Wikimedia Commons

J. Fraunhofer
Wenn weißes Sonnenlicht durch ein Prisma in seine Spektralfarben zerlegt wird, erscheint ein regenbogenfarbiges Spektrum. Fraunhofer schaute genauer hin und entdeckte zwischen den leuchtenden Farbbereichen 574 dunkle Linien. Diese so genannten Absorptionslinien bleiben aber 45 weitere Jahre ein Rätsel für die Forschung.

By User:nilda (Own work) [Public domain], via Wikimedia Commons

G. Kirchhoff
Kirchhoff untersuchte das emittierte Licht verschiedener Elemente. Zu diesem Zeitpunkt waren sowohl die Wellentheorie des Lichts als auch die Tatsache, dass verschiedene Farben unterschiedliche Frequenzen aufweisen, anerkannt. Er entdeckte 1859, dass jedes chemische Element in Gestalt der dunklen Linien (Spektrallinien) im Farbspektrum einen charakteristischen »Fingerabdruck« (ähnlich einem Strichcode) hinterlässt. Kirchhoff konnte nicht wissen, dass dies ein Prinzip der Quantenmechanik ist: Atome emittieren und absorbieren Licht nur in eng begrenzten Farbbändern.

By digitized from an engraving by G. J. Stodart from a photograph by Fergus of Greenock [Public domain], via Wikimedia Commons

J. C. Maxwell
Die Maxwell-Gleichungen beschreiben das Zusammenspiel zwischen elektromagnetischen Feldern und Materie. Da Licht als elektromagnetische Welle dargestellt werden kann, können optische Phänomene mit Hilfe dieser Gleichungen berechnet werden. Beispielsweise kann man mit ihnen beschreiben, wie Licht durch eine Glasfaser geleitet wird.

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M. Planck
Mit dieser Arbeit legte Planck die Grundlagen der Quantenphysik: Er erarbeitete, dass Energie immer in unteilbaren kleinsten Paketen, sogenannten Quanten, abgegeben und aufgenommen wird. Diese fundamentale Feststellung ist der Grundstein aller folgenden Überlegungen zur „Quantisierung“ von Energie.

By Afrank99 (Own work) [Public domain], via Wikimedia Commons

A. Einstein
In der klassischen Wellentheorie ging man davon aus, dass Lichtwellen kontinuierlich Energie tragen. Bei der Untersuchung des Photoelektrischen Effekts, welcher der zugrundliegende physikalische Prozess z. B. bei der Stromgewinnung mit Solarzellen ist, fand Einstein jedoch heraus, dass Lichtwellen aus einzelnen Energiepaketen – den sogenannten Photonen – bestehen. Diese sind heutzutage die fundamentalen Teilchen mit denen sich die Quantenoptik beschäftigt.

User:GeorgeLouis [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons

E. Schrödinger
Schrödinger entwickelte eine Theorie zur mathematischen Beschreibung der Quantenmechanik in der er Quantenteilchen mit Wellen beschrieb. Diesen können keine festen Positionen und Impulse mehr zugewiesen werden. Vielmehr erstrecken sie sich über viele mögliche Orte und sind mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit an einem bestimmten Ort. Klassische Teilchen – zum Beispiel Autos – haben eine so eng eingegrenzte Welle, dass ihre Eigenschaften sicher beschrieben werden können. Ein Auto steht nun einmal vor einem oder nicht.

By Maschen (Own work) [Public domain], via Wikimedia Commons

W. Heisenberg
Die von Heisenberg aufgestellte Unschärferelation besagt, dass es unmöglich ist, gleichzeitig Geschwindigkeit und Ort eines Teilchens mit hoher Bestimmtheit zu messen. Diese Unschärfe ist unabhängig von der Messgenauigkeit der Instrumente, weil sie in der Natur der Quantenmechanik liegt.

A. Einstein, B. Podolsky, N. Rosen (EPR)
Einstein, Podolsky und Rosen vertraten die Meinung, dass die Quantenmechanik keine vollständige Theorie sei. Vielmehr sei sie auf sogenannte „verborgene Parameter“ angewiesen, welche die Ergebnisse aller möglichen Messungen im Vorfeld genau festlegen und keinen Platz für Wahrscheinlichkeit lassen. Sie entwarfen ein Gedankenexperiment, mit dem es möglich sein sollte, den Ort und die Geschwindigkeit eines Teilchens genau zu messen, was im Widerspruch zur Heisenbergschen Unschärferelation steht. Allerdings wussten EPR nicht, dass sie damit die Quantenmechanik unfreiwillig stärkten. Das Experiment konnte mit Verschränkung, quantenmechanisch verhedderten Eigenschaften von zwei oder mehr Quantenteilchen, erklärt werden.

C. H. Townes
Townes gelang mit einem sogenannten Maser erstmalig die kontinuierliche Erzeugung und Verstärkung elektromagnetischer Wellen (in diesem Fall Mikrowellen) mit Hilfe stimulierter Emission. Dieser von Einstein prophezeite Vorgang erlaubt es, Strahlung einer bestimmten Farbe in einem scharfen Strahl zu erzeugen. Im Prinzip ist der Maser ein Laser für Mikrowellenstrahlung.

R. Hanbury Brown, R. Twiss
Mit dem ursprünglichen Ziel, die Größe von fernen Sternen zu bestimmen, untersuchten Hanbury Brown und Twiss deren Licht mit Einzelphotonen-Detektoren. Dabei stellten sie fest, dass Photonen aus einer thermischen Lichtquelle (z. B. Sterne, Glühlampen) bevorzugt zusammen beim Beobachter ankommen. Sie klumpen sozusagen zusammen, was im Englischen als „bunching“ bezeichnet wird.

T. H. Maiman
Maiman baute den ersten Laser, der stark monochromatisches (einfarbiges) rotes Licht aus einem Rubinstab erzeugen konnte. Dieser erste Laser konnte nur kurze Lichtblitze erzeugen. Die hohen Intensitäten und die exzellente Qualität des Laserlichtes erlaubten die gezielte Untersuchung neuer optischer Prozesse, wie zum Beispiel Frequenzverdopplung und Photonenpaarerzeugung (siehe unten), welche heute die Grundlage vieler quantenoptischer Experimente bilden.

R. J. Glauber
Glauber begann, die Quanteneigenschaften von Licht zu untersuchen. Der Anstoß für diese Forschungen waren die Entdeckung des „photon bunching“ von Hanburry Brown und Twiss sowie die Erfindung des Lasers. Glauber gelang 1963 eine theoretische Beschreibung der Lichteigenschaften des Lasers, welche die Welleneigenschaften des Lichts mit den Teilcheneigenschaften der Quantenoptik kombiniert. Mit den Arbeiten Glaubers und seiner Kollegen ließen sich erstaunliche experimentelle Ergebnisse erklären: Photonen können nicht nur verklumpen, sondern sich unter bestimmten Umständen auch aus dem Weg gehen. 2005 erhält er für seine Beiträge zur Quantentheorie optischer Kohärenz eine Hälfte des Nobelpreises für Physik.

By Sgbeer (Selber) [Public domain], via Wikimedia Commons

P. A. Franken, A. E. Hill, C. W. Peters, G. Weinreich
Im Gegensatz zu linearen optischen Effekten welche die Frequenz des Lichts – diese bestimmt seine Energie – im Allgemeinen nicht verändern können, führen nichtlinear optische Prozesse meist zu einer Frequenzänderung. Bei der Frequenzverdopplung, die dank der hohen Qualität der Laserstrahlung erstmalig systematisch untersucht werden konnte, verschmelzen zwei Photonen einer bestimmten Frequenz zu einem einzelnen Photon mit doppelter Frequenz. Im Gegensatz zu linearen optischen Effekten, die die Farbe des Lichtes nicht ändern, können nichtlineare optische Effekte genau dieses tun. Die hochintensive und sehr gut kontrollierbare Strahlung des neu erfundenen Lasers erlaubt erstmalig deren systematische Untersuchung. Bei der Frequenzverdopplung verbinden sich zwei Photonen mit einer bestimmten Energie zu einem Photon mit doppelter Energie.

W. H. Louisell, A. Yariv, A. E. Siegman / J. P. Gordon, W. H. Louisell, L. R. Walker
Parallel zu den ersten experimentellen Untersuchungen nichtlinearer optischer Prozesse gelang es Forschern der Bell Laboratories und der Stanford University, diese Prozesse in der Sprache der Quantenphysik zu formulieren. Diese Ergebnisse ermöglichten Aussagen darüber, wie sich nichtlineare Prozesse auf der Skala einzelner Photonen verhalten und wie gezielt nichtlineare Prozesse zur Manipulation von Quantenlicht verwendet werden.

Von Manwesulimo2004 (Eigenes Werk) [CC BY 3.0], via Wikimedia Commons

J. S. Bell
Bell zeigte mathematisch, dass sich bestimmte Formen der Quantenverschränkung nicht mit sogenannten „verborgenen Parametern“ (siehe EPR-Paradoxon 1935) beschreiben lassen. Er entwarf Messungen an verschränkten/verhedderten Teilchenpaaren, deren Ergebnisse nur mit einer quantentheoretischen Erklärung in Einklang gebracht werden können und daher die von Einstein, Podolsky und Rosen angezweifelte Gültigkeit der Quantenphysik unterstützen. Das Ergebnis dieses Gedankenexperiments formulierte er als Ungleichung: Verletzte das Resultat die Ungleichung (z. B. war das Messergebnis größer als erwarteter Wert), wäre eine klassische Beschreibung der Ergebnisse ausgeschlossen.

J. F. Clauser, M. A. Horne, A. Shimony, R. A. Holt (CHSH)
Da sich herausstellte, dass das Gedankenexperiment von Bell im Labor nicht umsetzbar war, entwickelten Clauser, Horne, Shimony und Holt (CHSH) Bells Idee weiter. Es gelang ihnen, eine eigene Ungleichung aufzustellen, welche im Labor überprüft werden konnte. Wie bei Bell zeigt eine Verletzung der Ungleichung durch die Messergebnisse, dass diese Ergebnisse nur durch Quantenmechanik zu erklären sind.

By Contact '97 (Own work) [CC BY 3.0], via Wikimedia Commons

D. C. Burnham, D. L. Weinberg / B. Ya. Zel’dovich, D. N. Klyshko Burnham und Weinberg realisierten einen theoretischen Vorschlag von Zel’dovich und Klyshko zur Erzeugung von Photonenpaaren. Sie verwendeten dazu den optisch nichtlinearen Prozess der parametrischen Fluoreszenz (engl. parametric down conversion, PDC). Dabei zerfällt ein einzelnes energiereiches Photonen-Paar. Diese haben einzeln für sich eine niedrigere Energie, zusammen aber die gleiche Gesamtenergie wie das ursprüngliche Photon. Man kann den Paarcharakter der erzeugten Photonen ausnutzen um Einzelphotonen zu erzeugen: Misst man eines der beiden Photonen des Paares weiß man genau, dass das andere Photon vorhanden ist und verwendet werden kann. Heute ist dieser Prozess eine gängige Methode zur Erzeugung von Photonenpaaren und angekündigten Einzelphotonen.

S. J. Freedman, J. F. Clauser
1972 wurden erstmals Messungen zur Überprüfung der Quantenmechanik durchgeführt. Wäre die Quantenmechanik falsch oder nicht komplett, so hätte die Auswertung der Messungen einen Wert kleiner als Null ergeben müssen. Man spricht hier auch von der klassischen Erwartung im Gegensatz zur quantenmechanischen Erwartung. Tatsächlich war das Ergebnis aber 0.050, verletzte also die klassische Erwartung, was die Richtigkeit der Quantenmechanik unterstützt.

H. J. Kimble, M. Dagenais, L. Mandel
In der Gruppe von Mandel gelang Kimble der experimentelle Nachweis des sogenannten “Anti-bunching” von Photonen, die von Atomen ausgesandt wurden. „Anti-bunching“ beschreibt die Situation, dass bei Licht von Einzelphotonenquellen niemals zwei Photonen gleichzeitig gemessen werden. Wegen Schwankungen im experimentellen Aufbau konnten jedoch keine Einzelphotonen direkt nachgewiesen werden.

A. Aspect, P. Grangier, G. Roger
Aspect gelang in der Gruppe von Roger erstmalig die Umsetzung eines EPR-artigen Experiments, mit dem die Verletzung einer CHSH-Ungleichung mit nie zuvor gezeigter Sicherheit nachgewiesen werden konnte. Verbesserungen im experimentellen Aufbau erlaubten ihm, die Ergebnisse von Freedman und Clauser mit deutlich größerer Präzision zu reproduzieren und damit die Richtigkeit der Quantenmechanik mit großer Sicherheit zu bestätigen.

By Andy Spencer (Own work) [CC BY-SA 4.0], via Wikimedia Commons

C. Bennett, G. Brassard
Im Gegensatz zu klassisch verschlüsselter Kommunikation (z. B. E-Mails), die grundsätzlich geknackt werden kann, wurde gezeigt, dass eine „Quantenverschlüsselung“ aufgrund quantenmechanischer Prinzipien absolut sicher ist. Bennett und Brassard stellten 1984 das sogenannte BB84 Protokoll vor. Ein Lauscher, der den geheimen Schlüssel einer Nachrichtenübermittlung abhören will, verändert diesen dabei unwillkürlich. Dies kann von den beiden Kommunikationspartnern überprüft werden. Nur wenn der Schlüssel nicht abgehört wurde, findet Kommunikation statt, die dann sicher ist.

F. Diedrich, H. Walther
In der Gruppe des deutschen Quantenphysik Pioniers Herbert Walther wurde nichtklassisches Licht – hier einzelne Photonen – nachgewiesen. Das Licht stammte von einzelnen Ionen, die in einer sogenannten Ionenfalle eingefangen und dann kontrolliert untersucht wurden. Im Gegensatz zu dem Experiment von 1977, in dem nur das „Anti-bunching“ demonstriert wurde, konnte in diesem Experiment dank der hohen Kontrolle über die Ionen auch tatsächlich Einzelphotonen nachgewiesen werden.

C. K. Hong, Y. Z. Ou, L. Mandel / Y. H. Shih, C. O. Alley
Hong, Ou und Mandel schickten die beiden Photonen eines PDC-Photonenpaares aus zwei unterschiedlichen Richtungen auf einen Strahlteiler. Dies ist ein optisches Bauteil, das einen Teil des Lichts reflektiert und den Rest passieren lässt (transmittiert). Im Fall des Experiments von Hong, Ou und Mandel handelte es sich um einen 50/50 Strahlteiler mit 50% Reflektion und 50% Transmission. Sie stellten fest, dass die beiden Photonen den Strahlteiler immer im gleichen Ausgang verlassen. Man nennt diesen Effekt „Quanteninterferenz“. Dies geschieht nicht nur bei Photonenpaaren, sondern auch bei zwei einzelnen Photonen mit genau gleichen Eigenschaften. Heutzutage ist dieser Effekt die Grundlage vieler quantenoptischer Schaltkreise. Alley und Shih überprüften eine CHSH Ungleichung, indem sie die Quanteninterferenz von Photonen an einem Strahlteiler analysierten. Dazu änderten sie die Schwingunsrichtung (Polarisation) eines Photons relativ zu der des anderen Photons. Mit dieser Messung konnten Sie, wie schon zuvor schon Freedman und Clauser und Aspect, Grangier und Rogér, die Richtigkeit der Quantenmechanik mit großer Sicherheit bestätigen.

D. E. Spence, P. N. Kean, W. Sibbett
Zum ersten Mal wurde Kerr-lens modelocking verwendet, um Lichtpulse mit einer Dauer von weniger als einer Pikosekunde (0,000 000 000 001s) zu erzeugen. Heutzutage ist diese Methode der Standard in Laboren und industriellen Anwendungen und ermöglicht die gezielte Erforschung von nichtlinear optischen Prozessen (z. B. Frequenzverdopplung, parametrische Fluoreszenz). Da entsprechende Laser inzwischen käuflich sind, können diese Forschungen durchgeführt werden, ohne Zeit in die Entwicklung eines Lasers stecken zu müssen.

P. Kumar
Die Gruppe von Kumar demonstrierte die Frequenzkonversion (Farbveränderung) von Quantenlicht, ohne dabei dessen Quanteneigenschaften (z. B. Verschränkung zwischen zwei Photonen) zu verändern oder zu zerstören. Diese wichtige Erkenntnis legte den Grundstein für weitergehende Forschungen.

D. Bouwmeester, J.-W. Pan, K. Mattle, M. Eibl, H. Weinfurter, A. Zeilinger
Forschern um Weinfurter und Zeilinger gelang es, Quantenteleportation im Experiment zu zeigen. Dieser faszinierende Effekt verwendet Quantenverschränkung, um einen Quantenzustand von einem Ort zu einem anderen zu teleportieren. Was wie Science-Fiction klingt, ist – zumindest in einem sehr kleinen Rahmen – dank der Quantenphysik tatsächlich Realität.

T. E. Keller, M. H. Rubin / C. K. Law, I. A. Walmsley, J. Eberly / V. Giovannetti, L. Maccone, J. H. Shapiro, F. N. C. Wong
Ab den späten 1990ern begannen verschiedene Gruppen damit, Photonenpaarerzeugung genauer zu untersuchen. Das Ziel dieser Forschung war die Erzeugung von Photonenpaaren mit maßgeschneiderten Quanteneigenschaften. Zum Beispiel könnten infrarote Photonen irgendwann in bereits bestehenden Glasfasernetzwerken zur Umsetzung sicherer Quantenkommunikation verwendet werden oder spezielle „Quantensimulatoren“ könnten helfen, komplizierte chemische und biologische Prozesse im Labor zu simulieren und besser zu verstehen. Für all diese Anwendungen ist es unerlässlich, die Quanteneigenschaften der verwendeten Photonen genau kontrollieren zu können.

S. Tanzilli, H. de Riedmatten, W. Tittel, H. Zbinden, P. Baldi. M. de Micheli, D. B. Ostrowsky, N. Gisin
In der Gruppe von Gisin gelang erstmalig die Erzeugung von Photonenpaaren mittels parametrischer Fluoreszenz in nichtlinearen Wellenleitern. Im Vergleich zu den bisherigen Kristall-Photonenpaarquellen konnte durch die Verwendung von Wellenleitern 10.000 Mal mehr Photonenpaare mit dem gleichen Energieaufwand erzeugt werden.

M. M. Fejer / H. Takesue / F. N. C. Wong / P. G. Kwiat
Die Gruppen von Fejer, Takesue, Wong und Kwiat verwendeten Quantenfrequenzkonversion in Wellenleitern, um einzelne Photonen aus dem nahen Infrarot (um 1550nm), zu kürzeren Wellenlängen zu transferieren. Dabei ist es wichtig zu wissen, dass Glasfasern bei 1550nm die niedrigsten Verluste haben und daher unser gesamter Datenfluss bei dieser Farbe passiert. Allerdings gibt es hier keine guten und technologisch ausgereiften Einzelphotonen-Detektoren. Im Gegensatz dazu gibt es für sichtbare Wellenlängen (400nm – 750nm) relativ gute Detektoren, welche dank der Quantenfrequenzkonversion verwendet werden können, um infrarote Photonen zu messen.

P. J. Mosley, J. S. Lundeen, B. J. Smith, P. Wasylczyk, A. B. U’Ren, C. Silberhorn, I. A. Walmsley
In der Gruppe von Walmsley gelang es Mosley, die theoretischen Ansätze der vorherigen Jahre experimentell umzusetzten, und maßgeschneiderte Photonenpaare zu erzeugen.

A. Eckstein, A. Christ, P. J. Mosley, C. Silberhorn
Die Gruppe von Silberhorn konnte die guten Eigenschaften von Wellenleitern (erhöhte Effizienz) und Photonenpaar-Engineering (maßgeschneiderte Photonenpaare) kombinieren. Eckstein realisierte eine maßgeschneiderte Photonenpaarquelle in einem nichtlinearen Wellenleiter, welche durch eine außergewöhnliche Effizienz und eine hohe Qualität der erzeugten Photonenpaare bestach. Letztere zeigt sich unter anderem durch eine exzellente Zweiphotoneninterferenz (siehe oben). In weiteren Jahren wurde diese Quelle von Harder weiterentwickelt und wird heutzutage von Kollaborationspartnern aus der ganzen Welt in deren Experimenten verwendet.

C. Silberhorn / M. G. Raymer
Die Gruppen von C. Silberhorn und M. Raymer publizierten theoretische Überlegungen zum Maßschneidern von Quantenfrequenzkonversion. Nach den Erfolgen maßgeschneiderter Photonenpaarquellen schien diese Forschungsrichtung vielversprechend. Es stellte sich heraus, dass maßgeschneiderte Quantenfrequenzkonversion verwendet werden kann, um Photonenpulse gemäß verschiedener Pulsformen (das beschreibt die Gewichtung der einzelnen Spektralfarben im Puls) zu sortieren. Die Untersuchung dieser Eigenschaft ist das Hauptziel der hier vorgestellten Forschung.

B. Brecht, A. Eckstein, R. Ricken, V. Quiring, H. Suche, L. Sansoni, C. Silberhorn
Nach den theoretischen Überlegungen gelang es Brecht 2014, ein sogenanntes “quantum pulse gate” im Experiment zu realisieren. Das “quantum pulse gate” basiert auf maßgeschneiderter Quantenfrequenzkonversion, und es wurde gezeigt, dass tatsächlich einzelne Pulsformen von Photonen angesprochen werden können.