Theoretical Quantum Optics WS20/21

                                 

Dozent: Prof. Dr. Walter Hofstetter 


Allgemeine Information

  • Die 1. Modulprüfung (schriftlich, d.h. Klausur) findet am Montag, den 22.02.2021 von 10:00 bis 11:30 Uhr im großen Physik-Hörsaal _0.111 statt. Die 2. Modulprüfung (Nachprüfung, ebenfalls schriftlich) findet am Donnerstag, den 25.03.2021 von 10:00 bis 11:30 Uhr im großen Physik-Hörsaal _0.111 statt. Bitte beachten Sie, dass Sie sich für beide Modulprüfungen fristgerecht anmelden müssen.
  • Voraussetzung für den Erhalt der Credit Points (unbenotet) dieser Vorlesung ist die erfolgreiche Teilnahme an den Übungen, d.h. der Erhalt des Scheins. Für den Erhalt von benoteten Credit Points ist zusätzlich eine Teilnahme an der Modulprüfung notwendig.
  • Die Vorlesung beginnt am Dienstag 03.11. Anstelle der Präsenzvorlesung wird (wegen der aktuellen Corona-Epidemie) an den Vorlesungstagen jeweils eine Videoaufzeichnung der Vorlesung im Lernportal OLAT (link: olat.server.uni-frankfurt.de ) zur Ansicht bereitgestellt. Bitte sehen Sie sich die Vorlesungsaufzeichnungen in der Woche der jeweiligen Vorlesung an. Wir können nicht garantieren, dass die Aufzeichnungen länger bereitgestellt werden. Loggen Sie sich bitte im OLAT ein und suchen Sie mit der Suchfunktion den Kurs "Theoretical Quantum Optics". Gehen Sie dort auf "Einschreibung" und schreiben Sie sich (ab Montag, dem 02.11.2020) für den Kurs ein. Dann können Sie die Videoaufzeichnungen der Vorlesung sehen.
  • Für die Teilnahme am Übungsbetrieb ist eine Anmeldung für die Vorlesung und das Tutorium notwendig. Schreiben Sie sich bitte (ab Montag, dem 02.11.2020) im OLAT-Portal (olat-ce.server.uni-frankfurt.de) für den Kurs "Theoretical Quantum Optics - Tutorium" ein; melden Sie sich dazu mit Ihrem HRZ-Account an. Das Tutorium ist auf maximal 24 Personen beschränkt.
  • Wir planen auch eine online-Fragestunde zur Vorlesung, jeweils Donnerstags von 12:15 - 13:15. Diese Fragestunde findet mithilfe von Zoom statt (siehe auch https://www.rz.uni-frankfurt.de/87260281/Zoom ). Hierfür erhalten Sie, ab der ersten Vorlesungswoche, jeden Donnerstag vor 12:15 Uhr einen Link per Nachricht über das Lernportal OLAT, mit dem Sie über Ihren Webbrowser oder die Zoom-App der online-Fragestunde betreten können. Sie benötigen zur Teilnahme an der Fragestunde einen Zoom-Account. Falls Sie nicht mit der Zoom-App arbeiten wollen (siehe https://support.zoom.us/hc/en-us/articles/115005666383-Show-a-Join-from-your-browser-Link ) sollten Sie den Browser Google Chrome verwenden.
  • Das Skript der Vorlesung, sowie die Übungsblätter stellen wir online, auf der webpage unserer Vorlesung (also hier), zum download zur Verfügung. Siehe unten den Abschnitt "Vorlesungsskript". Hierfür wird allerdings ab der zweiten Vorlesungswoche eine Zugangsinformation benötigt, die wir Ihnen rechtzeitig zusenden werden, wenn Sie sich wie oben angegeben auf dem OLAT Lernportal für die Vorlesung angemeldet haben.
  • Die Übungsblätter werden jeweils am Dienstag online auf dieser webpage zur Verfügung gestellt (siehe den Abschnitt "Übungsblätter" unten). Sie haben dann eine Woche Zeit, diese zu bearbeiten. Die Abgabefrist (Datum) steht jeweils auf dem Übungsblatt. Ihre Lösung schicken Sie spätestens an diesem Datum per email als gut lesbaren Scan oder in getippter Form (z.B. mittels LaTeX oder LyX gesetzt) an an Irakli Titvinidze (titvinidze[at]itp.uni-frankfurt.de). Bitte reichen Sie Ihre Abgabe im eMail-Anhang als einzelne Datei im pdf-Format mit dem generischen Namen "BlattX_Vorname_Nachname.pdf". Es ist Ihre Verantwortung, sicherzustellen, dass der Tutor Ihren Scan ohne Probleme lesen kann. Unlesbares kann nicht gewertet werden. Die Übungsblätter werden dann korrigiert und bewertet. Sie erhalten eine Rückmeldung per email.
  • Das Vorrechnen der Musterlösung im Tutorium erfolgt online. Die Musterlösungen werden Ihnen bereits zuvor, nämlich am Tag nach der Abgabe Ihrer Lösungen, auf der webpage der Vorlesung (d.h. hier) als PDF-Dateien zur Verfügung gestellt. Wir planen auch eine online-Sprechstunde mit Fragen zur Korrektur. Das Tutorium und die Sprechstunde finden mithilfe von Zoom statt (siehe auch https://www.rz.uni-frankfurt.de/87260281/Zoom ). Hierfür erhalten Sie, ab der zweiten bzw. dritten Vorlesungswoche, jeden Freitag um 10:00 Uhr für das Tutorium bzw. Montag um 11:00 Uhr für die Sprechstunde einen Link per Nachricht über das OLAT-Portal, mit dem Sie über Ihren Webbrowser oder die Zoom-App an dem Tutorium und der online-Sprechstunde teilnehmen können. Sie benötigen zur Teilnahme am Tutorium und an der Sprechstunde einen Zoom-Account. Falls Sie nicht mit der Zoom-App arbeiten wollen (siehe https://support.zoom.us/hc/en-us/articles/115005666383-Show-a-Join-from-your-browser-Link ) sollten Sie den Browser Google Chrome verwenden.
  • Um einen Schein und die Zulassung zur Modulprüfung zu erhalten, werden mindestens 50% der regulären Gesamtpunkte (d.h. ohne Bonuspunkte) der Übungsaufgaben benötigt. Pro Übungsblatt gibt es 30 Punkte, sowie ggf. zusätzliche Bonuspunkte.
  • Tutorien beginnen am 06.11.2020.

Vorlesung

Termine 
Dienstags 10:00 - 12:00  
Donnerstags 10:00 - 12:00 
Online-Fragestunde zur Vorlesung Do 12:15 - 13:15 


Übungsgruppen

 TermineTutor
Tutorium Freitag 10:00 - 12:00 Mathieu Barbier
Korrektur-Sprechstunde Montag 11:00 - 13:00 Dr. Irakli Titvinidze

Übungsleiter: Dr. Michael Pasek (Phys. 01.137).


Kurzbeschreibung

  • Quantization of electromagnetic fields and properties of coherent states
  • Squeezed states
  • Phase space representation
  • Wigner function
  • Quantum mechanics of open systems
  • Lindblad and Fokker-Plank equations
  • Quantum Markov processes
  • Decoherence and theory of measurement
  • Quantum information with quantum optical systems
  • Cavity QED
  • Quantum theory of the laser
  • Light forces
  • Ultracold atomic gases


Vorlesungsskript

Vorlesung #DatumThemaSkript (pdf)Ergänzendes Material
1-2 03.11 quantization of the electromagnetic field; thermal and coherent states lecture 1-2 Nobel prize 2012: controlled quantum systems of atoms and light
3-4 10.11 squeezed states,
quantum phase
lecture 3-4  
5-6 17.11 classical vs. quantum coherence lecture 5-6  
7-8 24.11 photon bunching, beam splitter, Mach-Zehnder interferometer lecture 7-8 Hanbury-Brown and Twiss experiment;
Hong-Ou-Mandel interferometer;
photon anti-bunching
9-10 01.12 representations of the electromagnetic field: P- and Q-functions lecture 9-10  
11-12 08.12 Wigner function; atom driven by classical field, Fermi's golden rule lecture 11
lecture 12
measurement of Wigner function;
experiment 1;
experiment 2
13-14 15.12 atom driven by quantum field, spontaneous and stimulated emission; Rabi- and Jaynes-Cummings-model; vacuum Rabi oscillations lecture 13-14  
15-16 12.01 collapse and revival, dressed states, entanglement lecture 15-16 collapse and revival in microwave cavity QED
17-18 19.01 von Neumann entropy, open quantum systems, generalized measurement, Kraus representation lecture 17
lecture 18
 
19-20 26.01 quantum noise for a Qbit, optical Bloch equations, dissipative light force lecture 19-20  
21-22 02.02 Lindblad master equation, damped harmonic oscillator, microscopic derivation lecture 21-22  
23-24 09.02 dissipative 2-state system, quantum Brownian motion lecture 23-24  
25-26 16.02 trapped ion quantum computer lecture 25-26 review article on trapped ion quantum computers


Übungsblätter

Blatt # DatumThemaAufgaben (pdf)
1 10.11 Interaction picture, displacement operator and coherent states
Blatt 1
Musterlösung 1
2 17.11 quadrature operators, squeezed states and phase distribution function
Blatt 2
Musterlösung 2
3 24.11 Casimir effect, Poynting vector and squeezed vacuum state
Blatt 3
Musterlösung 3
4 01.12 Hanbury Brown and Twiss experiment and coherence functions
Blatt 4
Musterlösung 4
5 08.12 Beam splitter operator, quantum noise in a Michelson interferometer Blatt 5
Musterlösung 5
6 15.12 Homodyne detection, Multiphoton interference in the Mach-Zehnder interferometer Blatt 6
Musterlösung 6
7 13.01 Nonclassicality of the single-photon-added coherent state, Quantum state tomography from homodyne detection Blatt 7
Musterlösung 7
8 20.01 Rabi model and quantum Zeno effect, Three-level atom in the Lambda configuration Blatt 8
Musterlösung 8
9 27.01 Cavity QED in a superconducting electrical circuit, Collapse and revival for a mixed initial state Blatt 9
Musterlösung 9
10 03.02 Multi-photon extension of the Jaynes-Cummings model, Subadditivity of the von Neumann entropy Blatt 10
Musterlösung 10
11 10.02 Decoherence by phase damping with non-orthogonal states, Amplitude damping of a harmonic oscillator Blatt 11
Musterlösung 11
12 17.02 Decoherence of a superposition of coherent states Blatt 12
Musterlösung 12


Literatur

AutorTitelVerlag
M. Scully and M. Zubairy Quantum Optics Cambridge, 1997
R. Loudon The Quantum Theory of light Oxford, 2000
S. Haroche and J.-M. Raimond Exploring the Quantum: Atoms, Cavities and Photons Oxford, 2006
D.F. Walls and G.J. Milburn Quantum Optics Springer, 2007
G. Agarwal Quantum Optics Cambridge University Press, 2013
C. Gardiner and P. Zoller The Quantum World of Ultra-Cold Atoms and Light (Book I and II) Imperial College Press, 2014 and 2015
C.W. Gardiner and P. Zoller Quantum Noise Springer, 2004