Hofstetter

Theoretical Quantum Optics WS22/23

                 

Dozent: Prof. Dr. Walter Hofstetter

Allgemeine Information

  • Die 1. Modulprüfung (schriftlich, d.h. Klausur) findet am Montag, den 20.02.2023 von 10:00 bis 11:30 Uhr im großen Physik-Hörsaal _0.111 statt. Die 2. Modulprüfung (Nachprüfung, ebenfalls schriftlich) findet am Mittwoch, den 22.03.2023 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.

  • Am Montag, den 03.04.2023, findet die Klausureinsicht der 2. Modulprüfung von 10:00 bis 12:00 Uhr im Raum Phys __.102 statt.

  • Am Montag, den 27.02.2023, findet die Klausureinsicht der 1. Modulprüfung von 10:00 bis 12:00 Uhr im Raum Phys __.102 statt.

  • 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 		 
15-16 06.12 Rabi- and Jaynes-Cummings-model, vacuum Rabi oscillations lecture 15
lecture 16 		Vacuum Rabi Oscillations in a Macroscopic Superconducting Qubit
17-18 13.12 collapse and revival, dressed states, entanglement lecture 17
lecture 18 		collapse and revival in microwave cavity QED
19-20 20.12 von Neumann entropy, open quantum systems, generalized measurement, Kraus representation lecture 19
lecture 20 		collapse and revival in ultracold bosons
21-22 10.01 quantum noise for a Qbit, optical Bloch equations lecture 21
lecture 22 		 
23-24 17.01 dissipative light force, Lindblad master equation lecture 23
lecture 24 		 
25-26 24.01 damped harmonic oscillator, microscopic derivation of the master eq. lecture 25
lecture 26
27-28 31.01 dissipative 2-state system (spin-boson model), quantum Brownian motion and decoherence lecture 27
lecture 28
29-30 07.02 quantum Brownian motion and decoherence (cont.), trapped ion quantum computer lecture 29
lecture 30 		review article on trapped ion quantum computers

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
Musterlösung 6
7 06.12 Nonclassicality of the single-photon-added coherent state, Wigner function, Quantum state tomography from homodyne detection Blatt 7
Musterlösung 7
8 13.12 Rabi model and quantum Zeno effect, Effective two-level model Blatt 8
Musterlösung 8
9 20.12 Cavity QED in a superconducting electrical circuit, Collapse and revival for a mixed initial state Blatt 9
Musterlösung 9
10 10.01 Schrödinger's cat state from the Jaynes-Cummings model, Subadditivity of the von Neumann entropy Blatt 10
Musterlösung 10
11 17.01 Create entanglement by measurement, Decoherence by phase damping with non-orthogonal states Blatt 11
Musterlösung 11
12 24.01 Side bands in resonance fluorescence Blatt 12
Musterlösung 12
12 31.01 Decoherence of a superposition of coherent states Blatt 13

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