Einzelne Photonen in Grundlagenexperimenten und Anwendungen
Werbung
NANO OPTICS Einzelne Photonen in Grundlagenexperimenten und Anwendungen Oliver Benson Humboldt-Universität zu Berlin, Nano Optics Group http://www.physik.hu-berlin.de/nano NANO OPTICS „Seit 50 Jahren grüble ich darüber nach was ein Lichtquant sei, und kann es immer noch nicht sagen. Heute glaubt jeder Lump er wüsste es – aber er weiß es nicht.“ Albert Einstein NANO OPTICS Inhalt • Einleitung • Einzelphotonquellen • Grundlagenexperimente mit einzelnen Photonen • Quanteninformation & Quantenkryptographie • Ausblick NANO OPTICS Klassische Physik - Quantenphysik Objekte in der klassischen Physik sind entweder Teilchen oder Wellen. Ort, Impuls Räumliche Verteilung, kein fester Ort SchwingungsRichtung, Polarisation Quantenobjekte können sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften besitzen. Welle-Teilchen-Dualismus Ort und Impuls nicht gleichzeitig genau bestimmbar, Unschärfebeziehung NANO OPTICS Welleneigenschaften von Teilchen Gedankenexperiment Beugung von Elektronen Beugungsbild im Möllenstedt-Versuch (1955) NANO OPTICS Welleneigenschaften von Teilchen Gedankenexperiment Interferenz von Biomolekülen (M. Arndt et al., Uni. Wien) Porphyrin NANO OPTICS Teilcheneigenschaften von Licht Einstein 1905 (Annalen der Physik): Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt „Es scheint mir nun in der Tat, daß die Beobachtungen über die „schwarze Strahlung“, ..., und andere die Erzeugung bzw. Verwandlung des Lichtes betreffende Erscheinungsgruppen besser verständlich erscheinen unter der Annahme, daß die Energie des Lichtes diskontinuierlich im Raume verteilt sei. ... es besteht dieselbe aus einer endlichen Anzahl von in Raumpunkten lokalisierten Energiequanten, welche sich bewegen, ohne sich zu teilen und nur als Ganze absorbiert und erzeugt werden können.“ Photoelektrischer Effekt: Ekin=hν-W Photon e- NANO OPTICS Teilcheneigenschaften von Licht Merkt man, dass Licht aus Photonen besteht? Taylorexperiment von 1906: Doppelspaltexperiment mit abgeschwächtem Licht, d.h. im Mittel höchstens ein Photon (E=hν) im Doppelspaltexperiment. 20 counts Photoplatte oder Kamera 200 counts Doppelspalt 2000 counts einfallendes abgeschwächtes Licht Quantenoptik NANO OPTICS Die Quantenoptik befasst sich mit dem fundamentalen Wesen von Licht. Nobelpreis für Physik 2005 an R. Glauber, T. W. Hänsch und J. Hall R. Glauber J. Hall T. W. Hänsch NANO OPTICS Inhalt • Einleitung • Einzelphotonquellen • Grundlagenexperimente mit einzelnen Photonen • Quanteninformation & Quantenkryptographie • Ausblick NANO OPTICS Quantenlicht Klassische Lichtquellen senden Photonen in grosser Zahl und in zufälliger Reihenfolge aus. 100 W = 1018 Photonen/sec Zeit Die fundamental kleinste Lichtquelle wäre eine Quelle, die nur ein einzelnes Photon „auf Knopfdruck“ aussendet. Einzelphotonenquelle Zeit NANO OPTICS Realisierungen von Einzelphotonenquellen Quantisierung von Energiezuständen und Emission von Licht im Bohrschen Atommodell: Bohrsches Atom Auftreten von diskreten Spektrallinien! Energieniveaus NANO OPTICS Realisierungen von Einzelphotonenquellen Einzelne Photonen von einzelnen Quantensystemen Einzelne Ionen oder Atome (in optischen Resonatoren) sind ein sehr reines System. • kohärente Zeitentwicklung • komplexe Experimente [Homepage of the Blatt group, Univ. Innsbruck, AU] Zwei-Nieveau-Systeme in mesoskopischen Festkörperstrukturen bestehen aus tausenden von Atomen. • Skalierbarkeit durch Nanotechnologie • höhere Dekohärenzraten [S. Götzinger et al.] Quantenpunkte NANO OPTICS 3*3 μm2 Künstliche Atome 1.7 MLs < critical thickness AFM 600nm 1*1 μm2 1.8 MLs ≈ critical thickness [110] 200nm 1*1 μm2 3 MLs >> critical thickness 10nm 200nm TEM Quantenpunkte Künstliche Atome NANO OPTICS Sogenannte selbstorganisierte Quantenpunkte sind in einen Halbleiter mit größerer Bandlücke eingebettet. Sie stellen eine Heterostruktur dar. Exciton in a QD: exciton GaInP InP GaInP Biexciton: biexciton Biexciton n=2 Energy n=1 Exciton n=1 n=2 Ground state (empty QD) Size: O(10 nm) Photolumineszenz eines Ensembles von InAs Quantenpunkten Photolumineszenzbild einiger InP Quantenpunkte Quantenpunkte Künstliche Atome NANO OPTICS AFM TEM 10nm Intensity (a.u.) [110] PL with 2-nm bandpass filter without filtering K. Georgsson et al., Appl. Phys. Lett. 67, 2981 (1995) 670 675 680 Wavelength (nm) 685 Quantenpunkte NANO OPTICS Künstliche Atome Die chemische Synthese von Quantenpunkten (Metall- oder Halbleiternanokristallen) wird seit Jahrhunderten bei der Produktion von Farbgläsern genutzt. Die verschiedenen Farben sind ein Quanteneffekt! Vorteile von Quantenpukten • Stabilität • Kompatibilität mit Chip-Technologie • Großer verfügbarer Wellenlängenbereich Nachteile von Quantenpunkten • Unterscheidbarkeit • Tiefe Temperaturen erforderlich • Dekohärenz Notre Dame, nördliches Rosenfenster, 1250-1260 Experimentelle Realisierung mit Quantenpunkten Spectrograph Liquid He Cryostat (4 K) Laser (cw or pulsed) NANO OPTICS Filter arbitrary experiment Dichroic mirror Sample Experimentelle Realisierung mit Quantenpunkten 150 StopAPD Number of coincidences Koinzidenzen (raw data, a.u.) NANO OPTICS 100 Coincidence counter 50 cw 0 -40 -20 0 20 Delay time (ns) Verzögerungszeit (ns) StartAPD 40 V. Zwiller, et al., Appl. Phys. Lett. 82, 1509 (2003) HBT Das Auftreten des zentralen „Dips“ ist ein Beweis der Unteilbarkeit des Photons. Es kann mit keiner klassischen Theorie des Lichts erklärt werden. Ö Erzeugung eines einzelnen Photons „on demand“ bei gepulster Anregung. Experimentelle Realisierung NANO OPTICS mit Quantenpunkten NANO OPTICS Inhalt • Einleitung • Einzelphotonquellen • Grundlagenexperimente mit einzelnen Photonen • Quanteninformation & Quantenkryptographie • Ausblick NANO OPTICS Wheelers Delayed Choice Experiment J. A. Wheeler J. A. Wheeler, in Quantum Theory and Measurement, Univ. Press, Priceton, NJ (1984) NANO OPTICS Stabile Einzelphotonquellen Diamant zeigt oft ein charakteristisches Farbspiel. Die Farben stammen von optisch aktiven Defektzentren und Verunreinigungen (Stickstoff, Bor, etc.). „Tiffany Yellow“ Diamant „Blue Hope“ Diamant NANO OPTICS Stabile Einzelphotonquellen NV-Zentren in Diamant: Ein stabiler Quantenemitter bei Raumtemperatur F. Jelezko and J. Wrachtrup, Phys. Stat. Sol. (a) 203, 3207 (2006) NV-Zentrum STED-Bild [Rittweger et al., Nature Phot. 3, 144 (2009] EnergieniveauSchema Ensemblespektrum von NV-Zentren bei 300 K und 1.8 K NANO OPTICS Experimentelle Realisierung Vincent Jacques, et al.; Science 315, 966(2007) closed configuration open configuration NANO OPTICS Inhalt • Einleitung • Einzelphotonquellen • Grundlagenexperimente mit einzelnen Photonen • Quanteninformation & Quantenkryptographie • Ausblick NANO OPTICS Quanteninformation Die Quantenformationsverarbeitung basiert auf der kontrollierten Manipulation von qubits. 0 oder 1 Klassisches Bit: 0 Quantenbit oder qubit: (atomarer Zustand, Spin, Polarisation, Strom, Phase, etc.) |ψ> = 1 + Anwendungen der Quanteninformationsverarbeitung: • Exponentiell schnelleres Rechnen mit Quantencomputern • Prinzipiell sichere Datenübertragung mit der Quantenkryptographie NANO OPTICS Quanteninformation Die Quantenformationsverarbeitung basiert auf der kontrollierten Manipulation von qubits. 0 oder 1 Klassisches Bit: 0 Quantenbit oder qubit: (atomarer Zustand, Spin, Polarisation, Strom, Phase, etc.) |ψ> = 1 + Vorteil von Photonen: • Schneller, ungestörter Transport von Quanteninformation: Quantumkryptographie, Teleportation (“Beamen”) • Schnittstelle zwischen verschiedenen Quantensystemen (quantum interface) NANO OPTICS Kryptographie 1: H U 2: 72 85 3: 1001000 1010101 4: 1101001 0011011 5: 0100001 1001110 6: 33 78 7: / N B 66 1000010 0101100 1101110 110 n NANO OPTICS Quantenkryptographie Wichtige Eigenschaften von Licht für die Quantenkryptographie 1. Licht kann verschiedene Schwingungsrichtungen (Polarisationen) einnehmen. 2. Licht besteht aus einzelnen Licht-”Teilchen” = Photonen. 3. Jede Messung an einem Quantenobjekt verändert dieses. 4. Man kann ein unbekanntes Quantenobjekt nicht kopieren (no cloning theorem). NANO OPTICS Quantenkryptographie Messung der Polarisation in verschiedenen Basen 50% 100% linear vertikal linear - 45 50% 50% linear horizontal linear + 45 100% 50% Quantenkryptographie NANO OPTICS 1 0 Quantenkanal 1 0 Bob Klassischer Kanal Bennett, Brassard, Proc. IEEE Int. Conf. on Computers, Systems & Signal Processing (1984), First realization with QDs: Waks et al., Nature 420, 762 (2002) BB84 Protocol NANO OPTICS Prinzip • Alice sendet zufällig polarisierte Photonen (0, 45, 90 or 135°) an Bob. • Bob misst zufällig in der geraden oder diagonalen Basis. • Bob hält seine Ergebnisse geheim. • Bob teilt seine Messbasis öffentlich mit (nicht jedoch die Resultate!). Alice teilt ihm öffentlich mit, wann er die richtige Basis gewählt hat. • Alice und Bob behalten nur Resultate der gemeinsamen Basis. • Beide haben nun einen gemeinsamen Zufallsschlüssel: 1 1 0 0 1 ... Quantenkryptographie NANO OPTICS EveEve 1 0 Quantenkanal 1 0 Bob Klassischer Kanal Bennett, Brassard, Proc. IEEE Int. Conf. on Computers, Systems & Signal Processing (1984), First realization with QDs: Waks et al., Nature 420, 762 (2002) BB84 Protocol NANO OPTICS Eve‘s attack • Alice sendet zufällig polarisierte Photonen (0, 45, 90 or 135°) an Bob. • Eve misst zufällig in der geraden oder diagonalen Basis. • Eve erhält folgende Ergebnisse und schickt neue Photonen zu Bob. • Die markierten Photonen sind fehlerhaft und führen bei Bob nicht immer zum selben Resultat wie bei Alice, selbst wenn beide übereinstimmende Basen wählen! • Alice und Bob messen die Fehlerrate mit einem Teil Ihres Schlüssels und können so feststellen, ob sie belauscht worden sind. NANO OPTICS Fiber from single photon source Demonstration von Quantenkryptographie Polarizer Analyzer EOM Alice Alice´s original data EOM APD Bob Encoded image Senderate an Bob: 30 erfolgreiche Bits pro Sekunde Ähnlichkeit zwischen Alice´s and Bob´s Schlüssel: 95% Bob´s decoded image NANO OPTICS Quanten-Technologie: State of the Art Quantenkryptographische Banküberweisung der Bank Austria Creditanstalt (21.04.04) an das Inst. of Experimentalphysik, Univ. of Wien „Free space quantum cryptography“ in der Stadt über 8 km, Universität Wien [http://www.quantum.univie.ac.at] NEC (Japan) sendet ein einzelnes Photon über eine 150-km lange Faser, ein Rekord für die Übertragungsstrecke bei Quantenkryptographie [NEC press release] 1 w n e iF lS g o S rP m tn o h u e rc E ro m u tn o h P e rc h C m tu n a l e n a Q h C m tu n a l e n a M U X ic M e h 2 w a yl n o ls e h ic M r e z ly a n n o ls e h c M i E M e O tD M O e D O E n o ls O B B X U M E D 1 w C LI A E A D M te O E M c n o ls e h i C LI A E E Q M O ch i lso M e n 2 w F n e li g o S M A r e z ly a n M O E tc e D O B B „Free space“ Quantenkryptographie mit Einzelphotonen über 23.4 km (mit Ziel der Satellitenkommunikation) [C. Kurtsiefer, et al., Nature 419, 450 (2002)] NANO OPTICS Quanten-Technologie: State of the Art Schmitt-Manderbach et al., Phys. Rev. Lett. 98, 010504 (2007) Quanten-Technologie: State of the Art NANO OPTICS Anforderungen an die kommerzielle Quantenkryptographie • einfache und robuste Implementierung • Telecom-Wellenlängen bei 1,3 μm oder 1,55 μm • hohe Bitrate > GHz • Kompatibilität mit kommerziellen Netzwerken Time-bin-encoding von Quantenbits: long short 0 1 or Time-bin-encoding und decoding mit Hilfe von zwei ungleichen Mach-Zehnder-Interferometern NANO OPTICS Quanten-Technologie: State of the Art Die Quantenkryptographie ist die am weitesten fortgeschrittene Quantentechnologie. Verschiedene Firmen bieten kommerzielle Systeme an. Quantenmommunikationsnetzwerke in Boston und Wien Transport über 200 km mit GHzRaten konnte gezeigt werden Quantenkryptographie über 67 km unter dem Genfer See [Stucki et al., New J. Phys. 4, 41 (2002)] Kommerzielle Systeme: idQuantique, Toshiba, … NANO OPTICS Quanten-Technologie: State of the Art 2007: Sichere Datenübertragung bei Wahlen durch Quantenkryptographie Bei den Schweizer Wahlen im Kanton Genf am 21 October 2007 fand die Übertragung der Ergebnisse vom Wahlbüro, wo die Daten erfasst werden, zum zentralen Datenspeicher der Regierung über eine quantenkryptographisch gesicherte Datenverbindung statt. [15 October 2007, NewScientist.com] Erste Live-Demonstration eines QKD (quantum key distribution) Netzwerks (SECOQC international conference, Vienna October 2008) • 7 QKD-links in einem gemeinsamen Netwerk • physikalisch implementiert in einem städtischen Netzwerk • verschiedene Demonstrationen typischer Anwendungen von QKD für die sichere Datenübertragung wie Telephon, Videokonferenzen, etc. Vision: Globales Netzwerk für die sichere Kommunikation basierend auf der Quantenkryptographie http://www.secoqc.net./index.html NANO OPTICS Inhalt • Einleitung • Einzelphotonquellen • Grundlagenexperimente mit einzelnen Photonen • Quanteninformation & Quantenkryptographie • Ausblick NANO OPTICS Ausblick • Einzelphotonquellen können mittlerweile als verlässliche Quellen in verschiedenen Systemen realisiert werden. Sie finden Anwendungen in Quantenoptischen Technologien, aber auch in klassischen Anwendungen, z.B. als Intensitätsstandards. • Einzelphotonquellen sind die ultimative Grenze von optischen Bauelementen, ähnlich wie Einzelektronbauelemente in der Elektronik. Sie bereiten daher den Weg für das zukünftige Gebiet der Einzel-Photonik und/oder der Quantenoptoelektronik. http://www.physik.hu-berlin.de/nano
