Licht, dessen Eigenschaften nur quantenoptisch zu beschreiben sind, ist als Quantenlicht bekannt. Seit vielen Jahrzehnten liefert es kontinuierlich neue Erkenntnisse in der Grundlagenforschung und initiiert die Entwicklung neuer Technologien und deren Anwendungen. Die technischen Fortschritte in der Modulierung von Licht zusammen mit neuen Erkenntnissen in der Quanteninformation eröffnen neue Möglichkeiten wie die Anwendung hochdimensionaler Quantenzustände oder das Zusammenspiel verschiedener Eigenschaften von Photonen. Das hat zu einem äußerst erfolgreichen Wissenschaftsgebiet geführt: der Erforschung und Anwendung strukturierter Photonen.
Wie vieles in der modernen Physik geht die Idee von Photonen, also einzelnen Lichtquanten, auf Albert Einstein zurück. In einer Arbeit aus dem Jahr 1905 erklärte Einstein den photoelektrischen Effekt durch die Existenz von Photonen und gab somit der von Max Planck zuvor heuristisch eingeführten Konstante eine physikalische Bedeutung. In den späten 1920er-Jahren erhielt das Konzept der Photonen im Zuge der Quantisierung des elektromagnetischen Feldes eine formalere Basis. Photonen sind demnach die Feldquanten des elektromagnetischen Feldes. Ihre Eigenschaften sind durch die Freiheitsgrade des Lichts gegeben, also durch die Lichtmoden, die durch Photonen angeregt werden. Die Schwingungsfrequenz v der ebenen Lichtwelle entspricht der Energie des Lichtquants (E = hv), der Wellenvektor k bezieht sich auf dessen Impuls [p = (h/2π)k = ħk], und die Polarisation beschreibt den Spindrehimpuls eines Photons (S = ±ħ). Besonders die Polarisation von Photonen stand in den vergangenen Jahrzehnten im Fokus: Zum einen untersuchte die Grundlagenforschung verblüffende Effekte wie die Überlagerung zweier Zustände, Quantenverschränkung oder Quantenteleportation. Zum anderen wurden bereits früh Anwendungen dieser Quanteneffekte vorangetrieben, sodass Geräte zur Quantenkommunikation oder Quantencomputer bereits verfügbar sind bzw. bald verfügbar sein werden. Der Siegeszug der Photonen und die Untersuchung ihrer grundlegenden Quanteneigenschaften gipfelten in der Vergabe des letztjährigen Physik-Nobelpreises an John Clauser, Alain Aspect und Anton Zeilinger für ihre quantenoptischen Experimente zur Verschränkung [1]. (...)
