Experimente mit einzelnen Photonen eignen sich, um faszinierende Eigenschaften der Quantenphysik zu demonstrieren. Die wohl interessanteste ist die Verschränkung. Bisher wurden Demonstrationsexperimentezu dieser Thematik mit polarisationsverschränkten Photonen erstellt. Nach einem Vorschlag von Franson haben wir einen Aufbau entwickelt, der es ermöglicht, die Verschränkung zweier Photonen hinsichtlichderen Frequenz darzustellen. Dabei werden Photonenpaare durch parametrische Fluoreszenz erzeugt und gelangen in räumlich getrennte Michelson-Interferometer. Innerhalb der Kohärenzlänge zeigt sich die klassisch erwartete Interferenz. Bei Armlängenunterschieden jenseits der Kohärenzlänge ist Zwei-Photonen-Interferenzmit einer Sichtbarkeit von 49% möglich, sofern die Armlängendifferenzen beider Interferometer identisch sind. Dieser nichtlokale Effekt kann im Demonstrationsexperiment vor Ort sowie online als interaktivesBildschirmexperiment nachvollzogen werden. Mit unserem Aufbau kann Zwei-Photonen-Interferenz und klassisch erwartete Interferenz ohne Umbauten gezeigt werden. Damit wird das Verschränkungsphänomen ohne den Wissensbereich Polarisation für die Schul- und Universitätsausbildung greifbar. Da zudem darauf geachtet wurde nur Standardmaterialien moderner Quantenoptiklabore zu verwenden, ist es vielerorts leicht möglich den Aufbau zu übernehmen. Das Experiment ist mit kurzer Erklärung auf http://www.QuantumLab.de verfügbar.
Experimente mit einzelnen Photonen eignen sich, um faszinierende Eigenschaften der Quantenphysik zu demonstrieren. Die wohl interessanteste ist die Verschränkung. Bisher wurden Demonstrationsexperimentezu dieser Thematik mit polarisationsverschränkten Photonen erstellt. Nach einem Vorschlag von Franson haben wir einen Aufbau entwickelt, der es ermöglicht, die Verschränkung zweier Photonen hinsichtlichderen Frequenz darzustellen. Dabei werden Photonenpaare durch parametrische Fluoreszenz erzeugt und gelangen in räumlich getrennte Michelson-Interferometer. Innerhalb der Kohärenzlänge zeigt sich die klassisch erwartete Interferenz. Bei Armlängenunterschieden jenseits der Kohärenzlänge ist Zwei-Photonen-Interferenzmit einer Sichtbarkeit von 49% möglich, sofern die Armlängendifferenzen beider Interferometer identisch sind. Dieser nichtlokale Effekt kann im Demonstrationsexperiment vor Ort sowie online als interaktivesBildschirmexperiment nachvollzogen werden. Mit unserem Aufbau kann Zwei-Photonen-Interferenz und klassisch erwartete Interferenz ohne Umbauten gezeigt werden. Damit wird das Verschränkungsphänomen ohne den Wissensbereich Polarisation für die Schul- und Universitätsausbildung greifbar. Da zudem darauf geachtet wurde nur Standardmaterialien moderner Quantenoptiklabore zu verwenden, ist es vielerorts leicht möglich den Aufbau zu übernehmen. Das Experiment ist mit kurzer Erklärung auf http://www.QuantumLab.de verfügbar.
Photonen, die Quanten des Lichts, können sehr komplexe räumliche Strukturen einnehmen, wenn sie frei propagieren. Diese Strukturen werden durch räumliche Moden beschrieben, und ergeben einen unendlich-dimensionalen, diskreten Hilbert-Raum. Eine interessante Eigenschaft von Photonen in diesen Lichtstrukturen ist, dass sie einen quantisierte Einheit von Drehimpuls tragen können welcher -- zumindest theoretisch -- nach oben hin unbeschränkt ist. Dieser unbeschränkte Zustandsraum lässt im Prinzip Informationskodierung mit einem groß en Alphabet zu, das Informationsdichten von mehr als einem Bit pro Photon ermöglicht. Diese Eigenschaft ist natürlich in der klassischen Kommunikation interessant, wo sie bereits benützt wird um Datenraten von mehr als 100 Tbit/sec zu erreichen. Speziell in quantenphysikalischen Situationen lässt es auch sehr interessante Möglichkeiten zu, wie zum Beispiel hochdimensionale Verschränkung. Zwei Systeme sind verschränkt, wenn sie gemeinsam eine von mehreren Eigenschaften annehmen können (wie zum Beispiel die Polarisation von Photonen), diese Eigenschaft aber vor der Messung noch nicht realisiert ist. Erst durch die Messung von einem der Systeme wird eine Eigenschaft realisiert (zum Beispiel, dass das Photon horizontale Polarisation hat), und weil es eine gemeinsame Eigenschaft des Photonen-Paars ist, nimmt auch das zweite Photon diese Eigenschaft an -- egal wie weit es entfernt ist. Hochdimensionale Verschränkung bedeutet, dass die Photonen eine von vielen Eigenschaften gemeinsame einnehmen könnten. Aber erst durch die Messung wird eine dieser Einstellungen realisiert -- und im gleichen Augenblick nimmt das Partner-Photon diese Eigenschaft an. Das zeigt, dass zwei Photonen gemeinsam über groß e Distanzen hinweg auf eine nicht-lokale/nicht-reale Weise viel Information tragen können. In dieser Arbeit habe ich mich mit räumlichen Strukturen von Photonen und ihren quantenphysikalischen Eigenschaften beschäftigt -- in groß en Hilbert-Räumen als auch in groß en realen Räumen. Im ersten Experiment wird untersucht, in wie vielen Dimensionen man zwei Photonen verschränken kann. Wir konnten Photonenpaare erzeugen, die in über 100 Dimensionen verschränkt sind -- und haben diese in einer Serie von insgesamt 200.000 Messungen auch nachweisen können. Der entsprechende Hilbert Raum ist vergleichbar mit zwei-dimensionaler Verschränkung von etwa 13 Teilchen. Das zeigt ein riesiges Potential für die Umsetzung von Quantenkommunikations-Experimenten mit bereits vorhandenen Technologien. Aufbauend darauf haben wir uns gefragt, ob Photonen in diesen Lichtstrukturen auch über Distanzen übertragen werden können, die größ er sind als typische optische Tische im Labor -- was natürlich für realistische Quantenkommunikations-Experimente notwendig ist. Diese Frage wurde bis zu dem Zeitpunkt nur in theoretischen Modellierungen und numerischen "Experimenten" untersucht -- mit durchaus kritischen Resultaten. Da es aber noch keine experimentellen Untersuchungen gab, noch nicht einmal für klassische Laser mit räumlichen Strukturen, haben wir über einen 3 Kilometer langen Kommunikationslink -- durch die Stadt Wien -- einen ersten Test gemacht. Dieser erste Test zeigte (für uns unerwartet) gute Resultate, sodass wir in einem Nachfolgeexperiment auf dem gleichen 3 Kilometer Link auch verschränkte Photonen in räumlichen Strukturen übertragen haben. Wir konnten die Eigenschaft der Verschränkung tatsächlich nachweisen, was bedeutet dass die räumliche Struktur von Einzelphotonen durch die Atmosphäre nicht zu stark beeinflusst wird. Um die Limits weiter auszuschöpfen, haben wir ein klassisches Experiment zwischen zwei kanarischen Inseln über 143 Kilometer durchgeführt, und die übertragenen Strukturen konnten immer noch erkannt werden. In einer weiteren Arbeit wollten wir das Potential von hochdimensionaler Verschränkung auf mehrere Teilchen erweitern, um neue Effekte in hoch-dimensionaler Vielteilchen-Verschränkung zu untersuchen. Dabei stieß en wir gleich auf das folgende praktische Problem: Uns war nicht klar, wie der dementsprechenden experimentelle Aufbau aussehen sollte, der solche Zustände erzeugen kann. Das Problem habe ich gelöst durch einen Computeralgorithmus (den wir Melvin nennen) der automatisch Implementationen von Experimenten finden kann. Mehrere dieser computer-designten Experimente wurden in unseren Labors bereits erfolgreich umgesetzt, andere werden im Moment gebaut. Diese daraus resultierenden Experimente erlauben die Untersuchung von Zuständen im Labor, die man sonst nur auf Papier analysieren kann. Die computer-designten Experimente sind sehr kontraintuitiv, und schwierig zu verstehen -- sie beinhalten aber auch Techniken an die wir normalerweise nicht denken würden. Ein solcher technische Trick hat uns zur Entdeckung einer neuen Art von sehr allgemeiner Verschränkungserzeugung inspiriert, und ist (für mich) ein Beispiel von erfolgreicher Mensch-Maschine Synergie. Im letzten Kapitel habe ich neun Folgefragen und -Projekte aufgelistet, deren Lösung ich besonders spannend finden würde.
Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Realisierung und Untersuchung optoelektronischer Bauelemente, welche nach einem elektrischen Impuls entweder genau ein einzelnes, polarisiertes Photon oder ein verschränktes Photonenpaar emittieren. Solche Emitterstrukturen werden als Q-Bit-Quellen bezeichnet. Eines der interessantesten Anwendungsgebiete einer solchen Q-Bit-Quelle ist die Quantenkryptographie, wobei hierfür sowohl einzelne linear polarisierte Photonen als auch verschränkte Photonenpaare hervorragend geeignet sind. In Hinblick auf die Entwicklung einer praxisrelevanten Emitterstruktur wurde im Rahmen dieser Arbeit ein quantenpunktbasierter Realisierungsansatz gewählt, dessen wesentliche Elemente erfolgreich patentiert werden konnten. Die für die Umsetzung des Gesamtkonzeptes dieser Arbeit entscheidende Herausforderung bestand zunächst darin, eine geeignete Bauelementstruktur zu entwickeln, mit der ein einzelner Quantenpunkt aus einem selbstorganisiert gewachsenen Quantenpunktensemble elektrisch selektiert werden kann. Mit der erfolgreichen Umsetzung dieses Bauelementtyps konnte erstmals die gezielte elektrische Ansteuerung der elektronischen Zustände eines einzelnen Quantenpunktes demonstriert werden. Da die Emission der Photonen in diesem ersten Ansatz ungerichtet in den vollen Raumwinkel erfolgt, ist die Anzahl der Photonen in einem akzeptablen Abstrahlwinkel trotz einer hohen internen Quanteneffizienz von ca. 20% sehr gering. Somit konzentrierte sich das weitere Vorgehen konsequenterweise auf die Steigerung der externen Quanteneffizienz. Durch die Einbettung des, idealerweise einzelnen, elektrisch gepumpten Quantenpunktes in eine Mikrokavität, kann sowohl die Emissionsrichtung der generierten Photonen als auch der Emissionsprozess des Quantenpunktes selbst beeinflusst werden. Die hierzu entwickelte oberflächenemittierende Bauelementstruktur ähnelt dabei in ihrem prinzipiellen Aufbau einer Resonant-Cavity-LED. Bei der Herstellung kavitätsbasierter Strukturen war die Bauelementmodellierung auf Grund der Komplexität ein unverzichtbares Element des Entwicklungsprozesses. Um den Zusammenhang zwischen konkreten Bauelementeigenschaften und einem dreidimensionalen Schichtsystem mit definierten Materialkompositionen, Dotierungsprofilen, lateralen und vertikalen Strukturausdehnungen herzustellen, wurde die Methode der Eigenmoden-Expansion verwendet, um ein funktionstüchtiges Design zu entwickeln. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Design konnte technologisch erfolgreich umgesetzt werden. Die Auskoppeleffizienz dieser, auf einer Resonant-Cavity-LED basierenden, Q-Bit-Quelle lag erwartungsgemäß weit über der des ersten Bauelementansatzes (etwa um einen Faktor 20). Mit dem hergestellten Bauelement konnte erstmals eine Einzelphotonen-Pulsfolge mit einer Frequenz von über 1GHz generiert werden. Damit ist die hier entwickelte Q-Bit-Quelle die bis dato mit Abstand schnellste elektrisch gepumpte, halbleiterbauelementbasierte Einzelphotonenquelle weltweit.
In der vorliegenden Arbeit wird die Interferenz zweier einzelner Photonen mit individuell einstellbarer Wellenlänge studiert. Die Photonen werden nacheinander mittels einer adiabatischen Passage in einem Atom-Resonator-System generiert, durchlaufen zwei verschieden lange optische Fasern und treffen zeitgleich auf einen Strahlteiler. Die Dauer der Photonen-Wellenpakete übersteigt die Zeitauflösung der beiden Detektoren an den Ausgängen des Strahlteilers. Somit kann die Koinzidenz von Photodetektionen erstmals in Abhängigkeit der Zeit zwischen den Detektionsereignissen untersucht werden. Dabei zeigt sich, dass die Photonen niemals gleichzeitig in den beiden Strahlteilerausgängen detektiert werden, selbst wenn sie durch ihre Frequenz oder ihre Ankunftszeit am Strahlteiler unterscheidbar sind. Für Photonen definierter Frequenzdifferenz oszilliert die Koinzidenzwahrscheinlichkeit mit dem Zeitabstand der Photodetektionen. Die Visibilität dieser Oszillation von nahezu 100 % ist auf die Quantennatur des Lichtes zurückzuführen und klassisch nicht erklärbar.
Die quantenphysikalische Verschränkung beschreibt das Phänomen, dass zwei oder mehr Systeme trotz räumlicher Trennung stärkere Korrelationen aufweisen können als klassisch erklärbar ist. Verschränkung gilt als eine der kennzeichnenden Eigenschaften der Quantenphysik und kann als Grundbaustein zukünftiger Quanteninformationstechnologien angesehen werden. Die Betrachtung der transversal räumlichen Mode ermöglicht in photonischen Experimenten die Untersuchung verschiedenster, interessanter Eigenschaften des Lichts. Um die Natur der Quantenverschränkung weiter zu beleuchten, lag daher der Fokus der hier präsentierten Arbeit auf der photonischen Verschränkung räumlicher Moden. Eine der interessantesten Eigenschaften von Photonen in speziellen räumlichen Lichtmoden stellt ihr Bahndrehimpuls dar. überraschenderweise kann dieser beliebig groß werden, d.h. es gibt kein theoretisches Limit wie viele Drehimpulsquanten ein einzelnes Photon aufweisen kann. Der Bahndrehimpuls scheint somit eine Möglichkeit darzustellen, photonische Verschränkung mit makroskopische Größen zu untersuchen. Dies wiederum könnte zur Diskussionen etwaiger makroskopischer Quantenzustände und deren möglichen Obergrenzen beitragen. Zusätzlich geht die Erhöhung der Komplexität räumlicher Strukturen des öfteren mit weiteren interessanten und überraschenden Eigenschaften einher, z.B. die Fähigkeit der Selbstheilung oder freien Beschleunigung des Lichts. Die Untersuchung der Verschränkung räumlicher Strukturen verspricht demnach die Möglichkeit bisher ungekannte Effekte von verschränkten Photonenpaaren zu beobachten. Die hier vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung neuer Methoden zur Erzeugung, Untersuchung und Verifizierung der Verschränkung komplexer, räumlicher Lichtmoden. Hierzu wurden drei Experimente durchgeführt, welche die Vielseitigkeit der entwickelten Ideen und Setups für zukünftige Quantenexperimente aufzeigen konnten. Zunächst entwickelten wir eine neuartige, äußerst flexible Methode zur Erzeugung von Verschränkung komplexer räumlicher Strukturen. Mit dieser Technik ist es gelungen zwei Photonen mit 300 Bahndrehimpulsquanten miteinander verschränken. Die Resultate übertreffen bisherige Ergebnisse um zwei Größenordnungen und stimmen nahezu perfekt mit den quantenphysikalischen Vorhersagen überein. Sie stellen zudem (meines Wissens nach) die höchste jemals verschränkte Quantenzahl dar und öffnen die Möglichkeit diese Zahl noch weiter zu steigern. Zusätzlich konnten wir zeigen, dass die Verschränkung hoher Bahndrehimpulsquanten vorteilhaft bei der nicht-lokalen Messung von Drehwinkel sein kann. In einem zweiten Experiment entwickelten wir ein flexibles und effizientes Verfahren zur hoch auflösenden Beobachtung räumlicher Strukturen von verschränkter Photonen. Hierzu bildeten wir mit Hilfe des Detektionssignals des ersten Photons und einer verstärkten CCD Kamera die transversale Struktur der dazugehörigen Partnerphotonen gezielt ab. Die erzeugten Koinzidenz-Aufnahmen wurden einerseits benutzt um Verschränkung nachzuweisen, andererseits um den Effekt der Verschränkung sogar in Echtzeit anschaulich werden zu lassen. In einem dritten Experiment konnte ein Zustand mit transversal variierender Polarisation erzeugt und dadurch die Komplexität des verschränkten Gesamtzustandes weiter erhöht werden. Dank der sehr hohen Gesamteffizienz des experimentellen Aufbaus, konnten sogenannte Vektorphotonen (Photonen bei denen die Polarisation in Abhängigkeit von der transversalen Position variiert) verschränkt und in bisher nicht gekannter Genauigkeit untersucht werden. Dies wiederum ermöglichte es uns die unterschiedlichen Stärken dreier Verschränkungsmaße experimentell aufzuzeigen. Darüber hinaus konnten wir eine ungekannte, überraschende Eigenschaft von Vektorphotonen demonstrieren: Vektorphotonen können mit ihren Partnerphotonen beides sein, verschränkt und nicht verschränkt in Polarisation, je nachdem an welcher transversalen Position sie vermessen werden.
Die photonische Quantenforschung ist ein Fachbereich, welcher sowohl in der Grundlagenforschung als auch beim technologischen Fortschritt an vorderster Front steht, da einzelne Lichtquanten, Photonen, ideale experimentelle Systeme darstellen: Einerseits ermoglichen es Photonen, Information in den unterschiedlichsten Freiheitsgraden zu kodieren, anderseits stellt ihre nicht-klassische Interferenz eine Grundvoraussetzung fur spezielle, sowie universelle optische Quantencomputer dar. Optische Quantenzustande konnen mit denselben linear-optischen Bauteilen wie auch klassisches Licht manipuliert werden. Dies sind
im Beispiel einer raumlich-modalen Kodierung Strahlteilerwurfel und Phasenschieber. Ein Arrangement mehrerer dieser Bauteile zu einem optischen Interferometer, in Verbindung mit konditionalen Messvorgangen, erlaubt es, jede beliebige Transformation zu verwirklichen. Gerade im Bereich komplexerer Interferometer hat sich hierbei die Integrierung von optischen Bauteilen durchgesetzt. Diese Wellenleiterstrukturen zeigen beispiellose passive Stabilitat und ermoglichen hiermit die Realisierung von Interferometer in Grosenordnungen, welche durch herkommliche Methoden selbst nicht unter Zuhilfenahme einer aktiven Stabilisierung erreichbar waren. Die Herstellung von Interferometer mit einigen hundert Moden wird momentan als ein erfolgversprechender Weg zu einem Quantenapparat gesehen, welcher erstmals nicht mehr von klassischen Computern simuliert
werden kann.
Bereits die Rekonstruktion der optischen Transformation eines integrierten, linear-optischen Interferometers ist eine herausfordernde und komplexe Aufgabe. Verluste innerhalb und beim Koppeln an das Interferometer, Imperfektionen in
den optischen Zustanden, welche zur Primardatenerhebung fur das Rekonstruktionsverfahren eingesetzt werden, sowie die Fehleranfalligkeit des Verfahrens selbst, beeinflussen das Endergebnis. In dieser Arbeit stellen wir eine numerische Studie zum Vergleich von Interferometercharakterisierungsverfahren und ein neu entwickeltes Verfahren zur Rekonstruktion unitarer Transformationen vor. Wir identifizieren modenabhangige Verluste als Hauptverursacher von systematischen Fehlern in allen derzeitigen Charakterisierungsverfahren, was folglich die maximal erreichbare Rekonstruktionsgute limitiert.
Die Ununterscheidbarkeit von zwei oder mehreren Objekten ist ein grundlegendes Konzept der Quantenmechanik und Photonen werden hierbei einer von zwei Klassen zugeordnet, den Bosonen. Die nicht-klassische Interferenz von zwei ununterscheidbaren Bosonen ist wesentlich fur die Konstruktion optischer Quantencomputer. In dieser Arbeit stellen wir eine verallgemeinerte Theorie dieses Effekts vor und testen sie experimentell. Unsere Ergebnisse ermoglichen ein tieferes Verstandnis von Interferenzszenarien mit nur teilweiser Ununterscheidbarkeit der beteiligten Photonen und sind direkt anwendbar auf ‘sampling computations‘.
Zuletzt prasentieren wir ein BosonSampling-Experiment, welches eine erste Realisierung eines neuartigen Modells fur einen Quantencomputer darstellt. Obwohl BosonSampling nicht die Konstruktion eines universellen Quantencomputers zum Ziel hat, ubersteigt bereits die Berechnung eines BosonSamplers mittlerer Grose die Kapazitaten klassischer Computer. Die experimentellen Voraussetzung hierfur, integrierte optische Netzwerke mit einigen hundert Moden und wenigen Dutzend nicht-klassisch interferierende Photonen, machen BosonSampling zu einem der aussichtsreichsten Kandidaten um in naher Zukunft ’quantum supremacy’ zu demonstrieren—eine Quanteneffekte nutzende Apparatur, welche klassische Computer bei der Losung eines bestimmten Problems ubertrifft.
Matteriewelleninterferometrie mit komplexen Teilchen ist ein hochaktuelles Forschungsgebiet der experimentellen Quantenphysik. Die Bestrebungen, Quanten-Superposition von immer komplexeren Molekulen nachzuweisen, haben die Entwicklung des Kapitza-Dirac-Talbot-Lau Interferometers (KDTLI) inspiriert. Dieses Interferometer ermoglicht Quanteninterferenz in einem noch nie dagewesenen Massenbereich.
In dieser Dissertation beschreibe ich Superpositions-Experimente, die wir erfolgreich mit Molekulen durchgefuhrt haben, die eine Masse von mehr als 10 000 amu haben und aus mehr als 800 Atomen bestehen.
Die typischen de Broglie Wellenlangen aller in dieser Dissertation untersuchter Molekule liegen im Bereich von 0.3-5 pm. Das ist um vieles kleiner als ihre raumliche Ausdehnung (Nanometer) und als die Delokalisierung im Interferometer (hunderte Nanometer). Da die Molekule thermisch hoch angeregt sind (300-1000 K), sind zahlreiche Vibrations- und Rotationszustande besetzt. Dennoch konnte Quanteninterferenz mit hoher Sichtbarkeit gemessen werden.
Die Sichtbarkeit und die Lage dieser Interferenzbilder hangt empfindlich von jeglichen auseren Storfeldern ab. Diese Empfindlichkeit hat ausfuhrliche Untersuchungen uber den Einfluss innerer molekularer Eigenschaften auf die Koharenz der Materiewellen ermoglicht. Daruber hinaus eroffnet genau diese Empfindlichkeit einen neuen Zugang zu quantenunterstutzter Metrologie. Die durch Materiewellen-Interferenz erzeugte nanostrukturierte Molekulverteilung erlaubt es uns, sehr kleine Verschiebungen und Dephasierung des Molekulstrahls auflosen zu konnen.
Ich beschreibe in dieser Dissertation, wie man KDTL-Interferometrie dazu nutzen kann um einige verschiedene molekulare Eigenschaften zu studieren. Unter Verwendung von Materiewellen-Deflektometrie im auseren elektrischen Feld haben wir vibrationsinduzierte Konformationsanderungen von beweglichen Molekulen sowie permanente elektrische Dipole untersucht. Auserdem haben wir eine neue Methode fur optische Absorptionsspektroskopie entwickelt, die auf dem Ruckstos basiert, den die Molekule nach der Absorption einzelner Photonen erfahren. Diese Methode ermoglicht die Messung absoluter Absorptionsquerschnitte in sehr dunnen Molekulstrahlen, ohne die Notwendigkeit der Kenntnis des Dampfdrucks. In zukunftigen Experimenten kann diese Methode auf eine Vielfalt von biologischen Molekulen angewendet werden.
Die Experimente in dieser Dissertation beinhalten den bisher hochsten Grad an Makroskopizitat, fur den experimentell Quantensuperposition nachgewiesen werden konnte.