Würzburger Quantenphysik- Konzept

G20 Teilchen-Zustände (Fock-Zustände)

Kohärente Zustände verschränkte Zustände

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Das sind Zustände für feste (be-stimmte) Teilchenzahl n, wobei n = 0, 1, 2, 3, ... für Bosonen oder n = 0 oder 1 für Fermionen mit jeweils be-stimmten Quantenzahlen. Der Schrödinger-Gleichung (für Wellenfunktionen) genügen ausschließlich solche Zustände (n-Teilchen-Zustände).

Besondere Vertreter von Teilchen-Zuständen sind außer Einteilchen-Zuständen Teilchenzwillinge wie Biphotonen (Photonenzwillinge) oder Elektronenzwillinge. Auch sie sind Quantenobjekte.

Während Laser-Strahlung am besten durch so genannte kohärente Zustände mit un-be-stimmter Teilchenzahl (Photonenzahl) beschrieben wird, werden zur Beschreibung vieler moderner Experimente mit einzelnen Photonen Fock-Zustände benötigt. Durch kohärente Zustände wird die größtmögliche Annäherung der quantentheoretischen Beschreibung von Licht an klassische elektromagnetische Wellen (im Laser, aber auch bei Radiowellen) erreicht.

Licht und Materie können in Zuständen mit be-stimmter Teilchenzahl, also in Fock-Zuständen, sein. Bei einem Kristall etwa geht jeder davon aus, dass er aus einer be-stimmten Anzahl von Atomen, Ionen oder Molekülen zusammengesetzt ist. Notwendig ist das aber nicht. Licht und Materie können sich auch in Zuständen mit un-be-stimmter Teilchenzahl befinden. In solchen Zuständen versagt ein naives Teilchen-Modell mit Sicherheit. Solche Zustände (kohärente Zustände) sind für Laserlicht und Atomlaser (seit 2005) experimentell nachgewiesen.

Um Laserlicht oder Radiowellen quantenmechanisch zu beschreiben, genügt es nicht, n-Photonenzustände mit einer sehr großen Photonenzahl n zu konstruieren. Bezüglich solcher Zustände würden alle Erwartungswerte der elektrischen oder magnetischen Feldstärke verschwinden. Erst kohärente Zustände mit un-be-stimmter Photonenzahl führen zu Erwartungswerten entsprechend klassischer elektromagnetischer Wellen. Klassische elektromagnetische Wellen und solche Zustände sind umso weniger zu unterscheiden, je größer die mittlere Photonenzahl in solchen Zuständen.

Kohärente Zustände können aber auch - im Mittel - wenige Teilchen, z.B. Phononen, enthalten. Deshalb kommt man durch Abschwächung eines Laserstrahls mit kohärentem Licht nie zu einem Zustand mit genau einem Photon. Für solche Experimente braucht man Zweiteilchen-Zustände: Ein Teilchen, um den gewünschten Effekt zu erzielen, das zweite Teilchen um die Anwesenheit eines solchen Teilchens mit einem Koinzidenzzähler zu sichern.