Theoretical Quantum Optics WS22/23

                 

Dozent: Prof. Dr. Walter Hofstetter


Allgemeine Information

  • Die erste Vorlesung beginnt am 18.10.2022.

  • Das erste Tutorium beginnt am 26.10.2022.

  • Die Vorlesung und das Tutorium werden in englischer Sprache gehalten.

  • Die Anmeldung für die Vorlesung und das Tutorium wird über OLAT erfolgen. Benachrichtigungen und Mitteilungen zur Vorlesung erhalten Sie über das Lernportal OLAT (olat-ce.server.uni-frankfurt.de ). Auch die Videoaufzeichnungen der Vorlesung können Sie auf OLAT ansehen. Loggen Sie sich bitte mit Ihrem HRZ-Account im OLAT ein und suchen Sie mit der Suchfunktion den Kurs "Theoretical Quantum Optics (WS 22/23)". Gehen Sie dort auf "Einschreibung" und schreiben Sie sich (ab 1.10.2022) für den Kurs ein.

  • Pro Woche findet ein Tutorium statt. Zeit und Ort des Tutoriums finden Sie in der unten stehenden Tabelle.

  • Das Skript der Vorlesung, sowie die Übungsblätter stellen wir online, auf der webpage unserer Vorlesung, im Abschnitt "Vorlesungsskript", zum download zur Verfügung. Hierfür wird 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 dienstags in der Vorlesung und online auf der webpage der Vorlesung zur Verfügung gestellt. Sie haben dann eine Woche Zeit, diese zu bearbeiten. Die Abgabe der Übungsblätter erfolgt jeweils dienstags bis spätestens 11:45 Uhr. Die Abgabe ist entweder während der Vorlesung (in einen der dort bereitgestellten Kästen) möglich, oder alternativ über die Lernplattform OLAT. Bei elektronischer Abgabe ist es Ihre Verantwortung, sicherzustellen, dass der Tutor Ihren Scan ohne Probleme lesen kann.

  • 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.

  • 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.

  • Für allgemeine Informationen zum Kurs wenden Sie sich bitte an den Übungsgruppenkoordinator Dr. Youjiang Xu und für Fragen zu Übungen und Benotung an den Tutor Dr. Arijit Dutta.

Vorlesung

Termine Raum
Di. 10:00 – 12:00 Phys 01.114
Do. 10:00 – 12:00 Phys 01.114

Tutorium

Termine Raum Tutor
Mi. 13:00 - 15:00 Phys _ _.102 Dr. Arijit Dutta

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 # Datum Thema Skript (pdf) Ergänzendes Material
1-2 18.10 quantization of the electromagnetic field; thermal and coherent states lecture 1-2 Physics Nobel Prize 2022: popular science background,
scientific background,
Entanglement-based quantum communication over 144 km
Physics Nobel prize 2012: controlled quantum systems of atoms and light
3-4 25.10 squeezed states,
quantum phase
lecture 3
lecture 4
 
5-6 01.11 quantum phase (cont.), classical vs. quantum coherence lecture 5 lecture 6 Quantum phase measurement
7-8 08.11 quantum coherence (cont.), photon bunching, balanced homodyne detection lecture 7
lecture 8
Hanbury-Brown and Twiss experiment
Hong-Ou-Mandel interferometer;
bunching of ultracold bosons
photon antibunching
9-10 15.11 beam splitter, Mach-Zehnder interferometer, representations of the electromagnetic field: P-function lecture 9
lecture 10
quantum limits in interferometry
11-12 22.11 representations of the electromagnetic field (cont.): P-, Q- and Wigner function lecture 11
lecture 12
measurement of Wigner function;
experiment 1;
experiment 2
13-14 29.11 atom driven by classical and quantum field, spontaneous and stimulated emission lecture 13
lecture 14
 


Übungsblätter

Blatt # Abgabe Thema Aufgaben (pdf)
1 25.10 Interaction picture, displacement operator and coherent states
Blatt 1
Musterlösung  1
2 01.11 quadrature operators and squeezed states
Blatt 2
Musterlösung 2
3 08.11 phase distribution function and Casimir effect
Blatt 3
Musterlösung 3
4 15.11 Poynting vector and Young's Interference
Blatt 4
Musterlösung 4
5 22.11 Interpolating the number state and the thermal state, Hanbury Brown and Twiss experiment Blatt 5
Musterlösung 5
6 29.11 beam splitter and P-representation Blatt 6
7 06.12 Nonclassicality of the single-photon-added coherent state, Wigner function, Quantum state tomography from homodyne detection Blatt 7


Literatur

Autor Titel Verlag
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