Einzelne Photonen in Grundlagenexperimenten und Anwendungen

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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]
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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
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