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Dekohärenz between electrons Übergang zur klassischen Welt durch Wechselwirkung mit der Umwelt fast e- Inhalt 1. Atome als Quantenmechnische Teilchen 1. Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, 2. Quantenradierer, Delayed Choice 3. Doppelspaltversuche mit Teilchen: 1. Elektronen 2. Atome, Moleküle 4. Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission 5. Beispiel H2 2. 6. Quantenkryptographie 7. Lichtgitter 7.1.Markieren statt ausblenden 7.2 Dipolkraft 7.3 Kapitza Dirac Effekt 7.4 Braggstreuung an Lichtgittern Wechselwirkung mit Atomen 1. Photon-Atom Wechselwirkung 1. Wiederholung: Photoeffekt, Comptoneffekt, 2. Winkel- und Energieverteilungen 3. Doppelanregung, Interferenzeffekte 4. Mehrfachionisation: Mechanismen, Energie- und Winkelverteilungen 5. Molekulare Photoionisation: Höhere Drehimpulse 2. Atome in starken Laserfeldern 1. Multiphotonenionisation 2. Tunnelionisation 3. Der Rückstreumechanismus: Höhere Harmonische, • Reality (if predictibal with 100% certainty its part of reality) Heute: • Completeness (a complete theory must describe all of reality) Nichtlokalität über viele km demonstriert • Locality Was unterscheidet EPR von klassischer Impulserhaltung? -> QM does not allow for all three Anwendung: Quantenkryptographie EPR concluded -> incomplete Today -> non local BUT: Einstein – no problem no information Quantenkryptographie Ziel: eine Nachricht absolut abhörsicher zu übertragen Trick: Nutze die Unschärferelation, daß jede Messung einen Quantenzustand ändert. A (lice): Sender B (ob): Empfänger E(ve): Eavesdropper (Lauscher) Vorbemerkung 1: Ein “einmaliger” Schlüssel Vorbemerkung 2: Polarisiertes Licht Zirkulares Licht: Perspektive der Klassischen Physik 1. 2. elektrischer Feldvektor Rotiert kohärente Überlagerung aus zwei senkrechten linearen Lichtfeldern mit verschobener Phase Quantenmechansiche Beschreibung: Wähle eine beliebige ortonormale vollständige Basis (2 Zustände) a) |→> | ↑> b) |> | > c) |ª > |© > kann nicht das Ergebnis (0,1) bestimmen (keine Information Übertragen) aber das Alphabet wählen BB84 Protokoll 1984 Charles Bennet (IBM) Gilles Brassard (Uni Montreal) Proceeding of IEEE Conference on Computers, Systems, and Signal Processing, Bangalore, India S 175 (1984) 1) 2) 3) Alice schickt Photonen mit ausgewählter Polarisation an Bob Bob misst Alice und Bob kommunizieren öffentlich welche Polarisation -> Falls jemand die Photonen “belauscht” wird das bemerkt Schritt 1: Alice wählt statistisch Alphabet, (Basis) Polarisation a) |→> Schritt 2: Bob wählt zufällig Basis a) oder b) und Misst ob ein Photon Ankommt | ↑> Schritt 3: Alice und Bob Tauschen öffentlich Ihre Listen über die Basis für jedes Photon Aus Führt Liste ob a) oder b) b) |> 0 | > Aber nicht die info ob 1 oder 0 1 Alice führt Liste Ob a) oder b) Schritt 4: Beide nehmen Nur die submenge Als Schlüssel, bei der sie die gleiche Basis hatten Alice kann so keine Information (von ihr zu bestimmende Bitfolge) an Bob übermitteln Da sie nicht weiss welches ihrer Photonen ausgewählt wird Einziger Erfolg: beide haben den Gleichen, aber nicht vorherbestimmbaren Schlüssel Abhöhrsicherheit: Lauscher muss wieder ein Photon losschicken um nicht bemerkt zu werden Er muss eine Basis wählen, 50% Richtige Basis, kennt das Photon, kann korrekt klonen 50% Falsche Basis, 25% Richtige Antwort -> 25% Bobs Messung geändert -> Alice und Bob tauschen viele Ergebnisse offen aus und sehen nach Alternative: Schlüsselübermittlung mit verschränkten Photonen Quelle von Verschränkten Photonenpaaren (z.B. gesamt Drehimpuls 0) Messe in 450 Basis 50% 1, 50% 0 1 0 0 1 1 Mit der Messung bei Alice wird auch das Ergebnis von Bob festgelegt Gleicher, aber zufälliger Schlüssel 0 1 1 0 0 http://www.arcs.ac.at/quanteninfo/docs/QKD-Praesentation2.pdf http://www.magiqtech.com/ The system provides world-leading performance. In particular, it allows key distribution over standard telecom fibre links exceeding 100km in length and bit rates sufficient to generate up to 100 256-bit keys per second. Inhalt 1. Atome als Quantenmechnische Teilchen 1. Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, 2. Quantenradierer, Delayed Choice 3. Doppelspaltversuche mit Teilchen: 1. Elektronen 2. Atome, Moleküle 4. Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission 5. Beispiel H2 6. Quantenkryptographie 2. 7. Lichtgitter 7.1.Markieren statt ausblenden 7.2 Dipolkraft 7.3 Kapitza Dirac Effekt 7.4 Braggstreuung an Lichtgittern Wechselwirkung mit Atomen 1. Photon-Atom Wechselwirkung 1. Wiederholung: Photoeffekt, Comptoneffekt, 2. Winkel- und Energieverteilungen 3. Doppelanregung, Interferenzeffekte 4. Mehrfachionisation: Mechanismen, Energie- und Winkelverteilungen 5. Molekulare Photoionisation: Höhere Drehimpulse 2. Atome in starken Laserfeldern 1. Multiphotonenionisation Spiegel 1.6.1. Markieren statt ausblenden Ar* 2p8 stehende Lichtwelle Laser 801 nm Grund zustand sieht nur Ar* blind für Ar 1s5 1000 Beugung an einem resonanten Lichtgitter •Markieren statt Ausblenden •Rolle von Materie und Licht vertauscht 800 co unt s 600 400 200 0 Abfalterer et al PRA 56 R4365 (1997) -100 0 position [m] 100 Spiegel Ar* 2p8 Grund1s5 zustand Laser um 60 natürliche Linienbreiten verstimmt •kein Pumpen •stimulierte Emission •Atome bleiben Ar* Kapitza Dirac Effekt (1933) (vorhergesagt für Elektronen in Lichtfeldern) Rasel et al PRL 75 2633 (1995), erstmals: Gould et al PRL 56 827 (1986) Welche Kräfte lenken die Atome ab: Dipolkraft: •Feld induziert atomaren Dipol •Polarisierbarkeit hängt von der Verstimmung ab •inomogenes Feld übt Kraft auf Dipol aus Spiegel Ar* 2p8 Grund1s5 zustand Wellenbild: reelles optische Potential bewirkt ortsabhängige Phasenverschiebung Lichtoptisches Analogon: Phasengitter Anwendung: Ultraschallwelle in Flüssigkeiten Rasel et al PRL 75 2633 (1995) Teilchenbild: Breite Aufstreuung! QM: Ortsabhängige Phasenmodulation Spiegel Teilchenbild: im inhomogenen Feld Ar* 2p8 + Grund1s5 zustand -4 -2 0 2 4 hk Absorbtion stimulierte Emission Könnte man die Photonen zählen? Zerstört die Streuung die Kohärenz? Photonenzahl keine gute Quantenzahl Das Teilchenbild hinkt: Beschreibt nicht die Einhüllende (Bessel statt Gauss) netto: 2 n hk Gaussverteilung Kapitza Dirac Effekt für Elektronen Freimund DL, Aflatooni K, Batelaan H. Nature 2001 Sep 13;413(6852):142-3 Elektronenwelle: örtliche Beschleunigung/Abbremsung durch E_Feld aus Laserlicht Experimental Setup Laser Source Lens Lens Mirror Mirror Splitter Mirror Mirror 0.05 Dx Laser on 0.00 -110 -55 0 55 110 Position (m) Count rate (/s/channel) Dx = L Dq = = L ldB/d = = 55 m Count rate (/s/channel) The Kapitza-Dirac Effect 0.10 Laser off 0.05 0.00 -110 -55 0 Position (m) 55 110 Dipolkraft: Fallen Einfachster Fall einer Dipolfalle: Sammellinse Quasistatische Dipolfalle (sehr langsame Frequenz) hier
