Einzelne Photonen in Grundlagenexperimenten und Anwendungen

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1 Einzelne Photonen in Grundlagenexperimenten und Anwendungen Oliver Benson Humboldt-Universität zu Berlin, Nano Optics Group

2 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

3 Inhalt Einleitung Einzelphotonquellen Grundlagenexperimente mit einzelnen Photonen Quanteninformation & Quantenkryptographie Ausblick

4 Klassische Physik - Quantenphysik Objekte in der klassischen Physik sind entweder Teilchen oder Wellen. Ort, Impuls Räumliche Verteilung, kein fester Ort Schwingungs- Richtung, Polarisation Quantenobjekte können sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften besitzen. Welle-Teilchen-Dualismus Ort und Impuls nicht gleichzeitig genau bestimmbar, Unschärfebeziehung

5 Welleneigenschaften von Teilchen Gedankenexperiment Beugung von Elektronen Beugungsbild im Möllenstedt-Versuch (1955)

6 Welleneigenschaften von Teilchen Gedankenexperiment Interferenz von Biomolekülen (M. Arndt et al., Uni. Wien) Porphyrin

7 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: E kin =hν-w Photon e -

8 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

9 Quantenoptik 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

11 Quantenlicht Klassische Lichtquellen senden Photonen in grosser Zahl und in zufälliger Reihenfolge aus. 100 W = Photonen/sec Zeit Die fundamental kleinste Lichtquelle wäre eine Quelle, die nur ein einzelnes Photon auf Knopfdruck aussendet. Einzelphotonenquelle Zeit

12 Realisierungen von Einzelphotonenquellen Quantisierung von Energiezuständen und Emission von Licht im Bohrschen Atommodell: Bohrsches Atom Energieniveaus Auftreten von diskreten Spektrallinien!

13 Realisierungen von Einzelphotonenquellen Einzelne Photonen von einzelnen Quantensystemen [Homepage of the Blatt group, Univ. Innsbruck, AU] Einzelne Ionen oder Atome (in optischen Resonatoren) sind ein sehr reines System. kohärente Zeitentwicklung komplexe Experimente Zwei-Nieveau-Systeme in mesoskopischen Festkörperstrukturen bestehen aus tausenden von Atomen. Skalierbarkeit durch Nanotechnologie höhere Dekohärenzraten [S. Götzinger et al.]

14 Quantenpunkte Künstliche Atome 3*3 μm MLs < critical thickness AFM 600nm 1*1 μm MLs critical thickness 200nm 1*1 μm 2 3 MLs >> critical thickness [110] 10nm TEM 200nm

15 Energy NANO OPTICS Quantenpunkte Künstliche Atome Sogenannte selbstorganisierte Quantenpunkte sind in einen Halbleiter mit größerer Bandlücke eingebettet. Sie stellen eine Heterostruktur dar. Exciton in a QD: exciton Biexciton: biexciton GaInP InP GaInP n=2 Biexciton n=1 Exciton Photolumineszenz eines Ensembles von InAs Quantenpunkten n=1 n=2 Size: O(10 nm) Ground state (empty QD) Photolumineszenzbild einiger InP Quantenpunkte

16 Quantenpunkte Künstliche Atome AFM PL [110] TEM 10nm K. Georgsson et al., Appl. Phys. Lett. 67, 2981 (1995) Intensity (a.u.) with 2-nm bandpass filter without filtering Wavelength (nm)

17 Quantenpunkte 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,

18 Experimentelle Realisierung mit Quantenpunkten Liquid He Cryostat (4 K) Laser (cw orpulsed) Spectrograph Filter Dichroic mirror Sample arbitrary experiment

19 Experimentelle Realisierung mit Quantenpunkten Number of coincidences Koinzidenzen (raw data, a.u.) cw Verzögerungszeit Delay time (ns) (ns) V. Zwiller, et al., Appl. Phys. Lett. 82, 1509 (2003) Stop- APD HBT Coincidence counter Start- APD Das Auftreten des zentralen Dips ist ein Beweis der Unteilbarkeit des Photons. Es kann mit keiner klassischen Theorie des Lichts erklärt werden. Erzeugung eines einzelnen Photons on demand bei gepulster Anregung.

20 Experimentelle Realisierung mit Quantenpunkten

22 Wheelers Delayed Choice Experiment J. A. Wheeler J. A. Wheeler, in Quantum Theory and Measurement, Univ. Press, Priceton, NJ (1984)

23 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

24 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 Energieniveau- Schema STED-Bild [Rittweger et al., Nature Phot. 3, 144 (2009] Ensemblespektrum von NV-Zentren bei 300 K und 1.8 K

25 Experimentelle Realisierung Vincent Jacques, et al.; Science 315, 966(2007) closed configuration open configuration

27 Quanteninformation Die Quantenformationsverarbeitung basiert auf der kontrollierten Manipulation von qubits. Klassisches Bit: 0 oder 1 Quantenbit oder qubit: (atomarer Zustand, Spin, Polarisation, Strom, Phase, etc.) ψ> = Anwendungen der Quanteninformationsverarbeitung: Exponentiell schnelleres Rechnen mit Quantencomputern Prinzipiell sichere Datenübertragung mit der Quantenkryptographie

28 Quanteninformation Die Quantenformationsverarbeitung basiert auf der kontrollierten Manipulation von qubits. Klassisches Bit: 0 oder 1 Quantenbit oder qubit: (atomarer Zustand, Spin, Polarisation, Strom, Phase, etc.) ψ> = Vorteil von Photonen: Schneller, ungestörter Transport von Quanteninformation: Quantumkryptographie, Teleportation ( Beamen ) Schnittstelle zwischen verschiedenen Quantensystemen (quantum interface)

29 Kryptographie 1: H U B 2: : : : : : / N n

30 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).

31 Quantenkryptographie Messung der Polarisation in verschiedenen Basen 100% 50% linear vertikal linear % 50% linear horizontal linear % 50%

32 Quantenkryptographie Quantenkanal Klassischer Kanal Bob Bennett, Brassard, Proc. IEEE Int. Conf. on Computers, Systems & Signal Processing (1984), First realization with QDs: Waks et al., Nature 420, 762 (2002)

33 BB84 Protocol 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:

34 Quantenkryptographie EveEve Quantenkanal Klassischer Kanal Bob Bennett, Brassard, Proc. IEEE Int. Conf. on Computers, Systems & Signal Processing (1984), First realization with QDs: Waks et al., Nature 420, 762 (2002)

35 BB84 Protocol 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.

36 Demonstration von Quantenkryptographie Fiber from single photon source Polarizer Analyzer EOM EOM APD Alice Bob Alice s original data Encoded image Bob s decoded image Senderate an Bob: 30 erfolgreiche Bits pro Sekunde Ähnlichkeit zwischen Alice s and Bob s Schlüssel: 95%

37 w1 Q uantumch anel A nalyzer FSingle rom Photon E OM EOM So urce Miche lson E MOM ichelson Michelson EOM Dete ALIC w2 E M UX DEMUX BO B De lay Q uantumch anel F rom w1 A nalyzer Single So urce Photon Miche lson Miche EOlson M EOM Detec ALIC w2 E BO B NANO OPTICS Quanten-Technologie: State of the Art Quantenkryptographische Banküberweisung der Bank Austria Creditanstalt ( ) an das Inst. of Experimentalphysik, Univ. of Wien Free space quantum cryptography in der Stadt über 8 km, Universität Wien [ NEC (Japan) sendet ein einzelnes Photon über eine 150-km lange Faser, ein Rekord für die Übertragungsstrecke bei Quantenkryptographie [NEC press release] Free space Quantenkryptographie mit Einzelphotonen über 23.4 km (mit Ziel der Satellitenkommunikation) [C. Kurtsiefer, et al., Nature 419, 450 (2002)]

38 Quanten-Technologie: State of the Art Schmitt-Manderbach et al., Phys. Rev. Lett. 98, (2007)

39 Quanten-Technologie: State of the Art 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 0 1 Time-bin-encoding von Quantenbits: or long Time-bin-encoding und decoding mit Hilfe von zwei ungleichen Mach-Zehnder-Interferometern short

40 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 Quantenkryptographie über 67 km unter dem Genfer See [Stucki et al., New J. Phys. 4, 41 (2002)] Transport über 200 km mit GHz- Raten konnte gezeigt werden Kommerzielle Systeme: idquantique, Toshiba,

41 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

43 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.