Über die Kontrolle von Photonen im Kasten und die Erforschung des Übergangs von der Quanten‐ zur klassischen Welt (Nobel‐Aufsatz)

In einem supraleitenden Resonator gefangene Mikrowellen‐Photonen stellen ein ideales System dar, um die Gedankenexperimente der Gründerväter der Quantenmechanik zu verwirklichen. Die Wechselwirkung dieser gefangenen Photonen mit Rydberg‐Atomen, die den Resonator passieren, veranschaulicht fundamentale Aspekte der Messtheorie. Die Experimente, die mit diesem “Photonenkasten” an der Ecole Normale Supérieure (ENS) durchgeführt werden, gehören dem als “Resonator‐Quantenelektrodynamik” (“Cavity Quantum Electrodynamics”) bezeichneten Gebiet der Quantenoptik an. Uns gelang die zerstörungsfreie Zählung von Photonen, die Erfassung von einzelnen Quantensprüngen des Feldes, die Präparation und Rekonstruktion von “Schrödingerkatzen‐Zuständen” von Photonen sowie die Untersuchung ihrer Dekohärenz, was eine bemerkenswerte Veranschaulichung des Übergangs von der Quanten‐ zur klassischen Welt bietet. Die Experimente haben ebenfalls zur Demonstration grundlegender Schritte der Quanteninformationsverarbeitung geführt, darunter die deterministische Verschränkung von Atomen und die Verwirklichung von Quanten‐Gattern unter Verwendung von Atomen und Photonen als Quanten‐Bits. Dieser Vortrag beginnt mit einer Einführung, die die Verbindung zwischen dem Photonenkasten an der ENS und den Experimenten mit Ionenfallen von David Wineland hervorhebt, dessen begleitender Vortrag einen Überblick über seinen eigenen Beitrag auf dem Gebiet der Kontrolle einzelner Teilchen bietet. Ich werde anschließend einen persönlichen Einblick in die Frühzeit des Gebiets der Resonator‐Quantenelektrodynamik geben, bevor ich die wichtigsten Experimente beschreibe, die in den letzten zwanzig Jahren an der ENS durchgeführt wurden. Der Vortrag endet mit einer Diskussion, die unsere Arbeit mit jener anderer Wissenschaftler vergleicht, die sich mit der Kontrolle einzelner Quantenteilchen beschäftigen.