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Keyword: Quantenoptik / Photonik

Markus Gräfe DPG-Mitglieder

Spukhafte Erscheinungen

Licht fasziniert seit jeher, doch der physikalische Blick darauf bleibt im steten Wandel. Seine einfachste Beschreibung als Strahlenbündel bildet die Basis der geometrischen Optik und erklärt, wie optische Abbildungen mittels Linsen funktionieren. Ein genauerer Blick auf das Verhalten von Licht an einem optischen Gitter zeigt Beugung und Interferenz – zwei Effekte, die in seiner Wellennatur begründet liegen. Aber Licht ist noch viel mehr: Dank Albert Einstein und Max Planck wissen wir heute, dass es aus Quanten besteht: den Photonen. Auf dieser fundamentalen Erkenntnis baut unsere moderne Photonik- und Halbleiterindustrie auf, und damit Quantentechnologien der 1. Generation. Die heute in der Entwicklung befindliche 2. Generation beruht auf nichtklassischen Quantenzuständen des Lichts.

In der Entwicklung der Quantenphysik zeigte sich schnell, dass Licht in Form verschiedener Quantenzustände vorliegen kann. Einige davon lassen sich nicht mehr mit klassischer Elektrodynamik beschreiben. Die Anwendungen dieser nichtklassischen Zustände in neuartigen technologischen Konzepten bilden die Quantentechnologien der 2. Generation und stehen aktuell als Forschungsgebiet mit hohem Innovationspotenzial im Fokus. Ein vielversprechendes Gebiet stellt hierbei die Quantenbildgebung dar: die Bildgebung und Spektroskopie mit nichtklassischem Licht [1].
Die mit Abstand meistgenutzte Quelle nichtklassischen Lichts basiert auf der spontanen parametrischen Fluoreszenz (Infokasten). Dabei konvertieren die Pumpphotonen eines Lasers spontan in zwei Tochterphotonen, die historisch bedingt als Signal und Idler benannt sind. Das Signal- und das Idlerphoton bilden als Photonenpaar einen nichtklassischen Zwei-Photonenzustand mit Eigenschaften, die in der klassischen Optik nicht existieren. Beide Photonen sind räumlich verschränkt – das heißt, sie zeigen Korrelationen sowohl in ihrer Position als auch in ihrem Impuls. Daneben können weitere Freiheitsgrade verschränkt sein, wie Polarisation, Helizität bzw. Drehimpuls oder Energie und Zeit. Darauf basierend lassen sich die verschiedenen Ansätze der Quantenbildgebung in drei Kategorien einteilen. Denn die Quantenbildgebung nutzt entweder Verschränkung aus, basiert auf Korrelationen oder geschieht mithilfe von Interferometern. Im Folgenden illustriert jeweils ein Beispiel diese Kategorien, wobei die letzte sowohl wegen ihrer spukhaften Physik als auch wegen des enormen Anwendungspotenzials genauer beleuchtet wird. (...)

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