Photonen

Die ganzen 50 Jahre bewujJter Griibelei haben mich der Antwort der Fra­ ge »W as sind Lichtquanten« nicht näher gebracht. H eute glaubt zwar jeder Lump, er wisse es, aber er täuscht sich ... ALBERT EINSTEIN (in einem Brief an M. BESSO vom Jahre 1951) Erfahrungsgemäfi fällt es uns nicht leicht, uns von der aus unmittelbarem Erleben geborenen Vorstellung zu trennen, dafi ein jedes Ding bestimmte, über längere Zeiten unveränderliche Eigenschaften besitzt, die einander nicht widersprechen. Bekanntlich wurde dieses scheinbar so fest gefügte Weltbild nachhaltig durch die Quantenmechanik erschüttert, die aufzeigte, dafi je­ denfalls im Mikrokosmos eine Einordnung der Dinge in säuberlich getrennte Schubfächer nicht möglich ist. Sie lehrt uns, dafi die element aren Objekt- und dazu zählt auch das Licht - eine verblüffende Gabe der Verwandlung besitzen: Einmal erscheinen sie uns als Welle und einmal als Teilchen. Heutzutage ist die Optik wie keine andere Disziplin dazu geeignet, uns diesen Dualismus unmittelbar, und dazu noch im Wortsinn, vor Augen zu führen.

1 Einleitung.- 2 Historische Meilensteine.- 2.1 Lichtwellen à la Huygens.- 2.2 Newtons Lichtteilchen.- 2.3 Der Youngsche Interferenzversuch.- 2.4 Die Einsteinsche Lichtquantenhypothese.- 3 Grundzüge der klassischen Beschreibung des Lichts.- 3.1 Das elektromagnetische Feld und seine Energie.- 3.2 Intensität und Interferenz.- 3.3 Ausstrahlung.- 3.4 Spektrale Zerlegung.- 4 Quantenmechanische Aussagen über das Licht.- 4.1 Quantenmechanische Unschärfe.- 4.2 Quantelung der elektromagnetischen Energie.- 4.3 Fluktuationen der elektrischen Feldstärke.- 4.4 Kohärente Zustände des Strahlungsfeldes.- 5 Optische Detektoren.- 5.1 Lichtabsorption.- 5.2 Photoelektrischer Nachweis von Licht.- 5.2.1 Messung der mittleren Intensität.- 5.2.2 Nachweis von Schwebungen.- 5.2.3 Messung von Intensitätskorrelationen.- 5.2.4 Registrierung der Ankunftszeit einzelner Photonen.- 5.2.5 Photonenzählung.- 5.3 Photoeffekt und Quantennatur des Lichts.- 6 Spontane Emission.- 6.1 Korpuskulare Züge der Ausstrahlung.- 6.2 Der Wellenaspekt.- 6.3 Paradoxien des Emissionsvorgangs.- 6.4 Komplementarität.- 6.5 Quantenmechanische Beschreibung.- 6.6 Quantenhafte Schwebungen.- 6.7 Parametrische Fluoreszenz.- 6.8 Photonen in Reinkultur .- 6.9 Eigenschaften von Photonen.- 7 Interferenz.- 7.1 Strahlteilung.- 7.2 Interferenz des Photons mit sich selbst.- 7.3 Verzögerte Entscheidung.- 7.4 Interferenz zwischen unabhängigen Photonen.- 7.5 Welcher Weg?.- 7.6 Intensitätskorrelationen.- 7.7 Verformung von Photonen.- 8 Photonenstatistik.- 8.1 Messung von Sterndurchmessern.- 8.2 Anhäufelung von Photonen.- 8.3 Zufällige Photonenverteilung.- 8.4 Abstand haltende Photonen.- 9 Gequetschtes Licht.- 9.1 Quadraturkomponenten des Feldes.- 9.2 Erzeugung.- 9.3 Homodyn-Nachweis.- 10 Messung vonVerteilungsfunktionen.- 10.1 Die Quantenphase des Lichts.- 10.2 Realistische Phasenmessung.- 10.3 Rekonstruktion des Zustandes aus Meßdaten.- 11 Ein optisches Einstein-Podolsky-Rosen-Experiment.- 11.1 Die Zwei-Photonen-Kaskade.- 11.2 Das Paradoxon von Einstein, Podolsky und Rosen.- 11.3 Theorien mit verborgenen Parametern.- 11.4 Experimentelle Ergebnisse.- 11.5 Informationsübertragung mit Überlichtgeschwindigkeit?.- 12 Quanten-Kryptographie.- 12.1 Kryptographische Grundprinzipien.- 12.2 Abhörsicherheit und Quantentheorie.- 13 Resümee: Was wissen wir vom Photon?.- A Anhang. Formale Beschreibung.- A.1 Quantisierung eines Ein-Moden-Feldes.- A.2 Einführung und Eigenschaften der kohärenten Zustände.- A.3 Die Weisskopf-Wigner-Lösung für die spontane Emission.- A.4 Theorie der Strahlteilung und optischen Mischung.- A.5 Quantentheorie der Interferenz.- A.6 Theorie des abgeglichenen Homodyn-Nachweises.