The seminar Cold Atoms is held together with the colleagues of the IAP. It will give insights into the fascinating world of cold atoms and their applications. Various experimental and theoretical topics will be discussed.

Die Entdeckung von quantenmechanischen Eigenschaften elektromagnetischer Strahlung trug wesentlich zur Entwicklung der modernen Quantentheorie bei. Die Verbindung von quantenfeldtheoretischen Ansätzen mit den Konzepten klassischer Optik hat das Teilgebiet der Quantenoptik hervorgebracht, das die quantenmechanische Beschreibung von Licht, Materie und deren Wechselwirkung erforscht. Quantenoptische Technologien wie zum Beispiel der Laser haben unsere Alltagswelt revolutioniert und sind zentraler Bestandteil aktueller Forschung und Entwicklungen, gerade mit Hinblick auf Quantenkommunikation und Quanteninformationsverarbeitung.

Diese theoretische Vorlesung führt in die Grundprinzipien der Quantenoptik ein und ist damit zentral für ein Verständnis moderner Optik. Wir diskutieren die Quantisierung des elektromagnetischen Strahlungsfeldes sowie daraus resultierende Effekte und Anwendungen. Die Vorlesung behandelt zusätzlich die Erzeugung nichtklassischer Lichtzustände mithilfe nichtlinearer optischer Prozesse, die Wechselwirkung elementarer Quantensysteme mit Licht sowie die Dynamik offener Quantensysteme. Anwendungen der Quantenoptik finden sich sowohl in der Laserphysik, in interferometrischen Hochpräzisionsmessungen und in fundamentalen Experimenten, die zum Beispiel die Annahme des lokalen Realismus überprüfen. Die erlernten Methoden und Konzepte gehen über das Fachgebiet der Quantenoptik hinaus und können auf andere Felder übertragen werden.

Quantum mechanics allows for matter to move in a superposition of different trajectories through space and time. Information about the motion can be deduced from interference effects. Transferring this principle to quantum technologies, atom interferometers have become high-precision inertial sensors. This lecture presents atom interferometry from a theoretical perspective: Starting at the dynamics of atomic wave packets in external potentials, via atom-light interaction to manipulate the matter waves, to the sensitivity to fundamental relativistic effects, the covered topics guide students towards state-of-the-art research.

Optical devices have long been proven to be a powerful tool for metrology; and interferometers are amongst the oldest high-precision instruments in physics. Their supreme sensitivity is for example underlined by the direct observation of gravitational waves. To enhance their sensitivity even further, a novel generation of gravitational wave detectors will rely on quantum features of light that will allow for an operation beyond the shot-noise limit. The lecture “optical and quantum metrology” aims to teach the fundamental working principles and concepts of such devices.

As such, this theoretical lecture gives a basic understanding of optical and quantum metrology. We discuss the estimation of parameters in general terms and through specific measurement schemes, not solely focusing on optical approaches. The lecture covers linear and nonlinear optical devices seen from a quantum perspective and links entanglement or correlations to quantum imaging. Different features of quantum mechanical states of light and their effect on interferometry play a central role for the syllabus. Including nonlinear elements into interferometers allows for a combination of the generation of quantum states with the scheme itself. The methods and concepts taught in the course can be also transferred to other fields of quantum sensing so that the scope of the lecture is beyond optical quantum metrology.