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Forschung mit Photonen

E. Middell, K. Rosbach, Ariane Frey, S. Riemann, Jan Perlich, L. Schulz, A. Adriaens, K. De Wael, David Bogaert, Hans Buschop, Tom Schoonjans, Bart Vekemans, Diederik Depla, László Vincze, N. Akdogan, A. Nefedov, K. Westerholt, H. Zabel, C. Somsen, R. Khaibullin, Тагиров Ленар Рафгатович, V. Aleksandrovic, D. Greshnykh, I. Randjelovic, A. Froemsdorf, A. Kornowski, C. Klinke, Horst Weller

Published Jan 1, 2006• 0 citations
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L��t sich ein Schroteffekt der Photonen mit dem Auge beobachten ?

R. Bowling Barnes, Martin Czerny

The European Physical Journal A•Jul 1, 1932•39 citations

Photonen unter Kontrolle

Physik in unserer Zeit•Dec 22, 2004•0 citations

Wo steckt die Quantenphysik bei der Detektion einzelner Lichtquanten?

Friedrich-Schiller-Universität Jena. Multimediazentrum, Krüger, Heidemarie

Photonen sind Quanten des elektromagnetischen Feldes und damit Objekte in der Raumzeit. Ein einzelnes Photon ist durch seine Ausbreitungsrichtung und durch seine Quantenzahl gekennzeichnet. Die Detektion einzelner Photonen in der Quantenphysik ist möglich und wird durch hochempfindliche Detektoren erreicht, die auf quantenmechanischen Effekten basieren. Neueste Entwicklungen der Photonen-Messtechnik mit supraleitenden Nanodraht-Einzelphotonen-Detektoren mit einer Zeitauflösung von wenigen Pikosekunden (ps) ermöglichen nicht nur die Detektion einzelner Photonen, sondern auch die direkte Bestimmung der Quantenzahlen. Das ist von Interesse bei der digitalen sicheren Kommunikation mit einzelnen Photonen, beim optischen Rechnen mit einzelnen Photonen und bei der Bildgebung mit einzelnen Photonen. Dieser Vortrag nimmt Sie mit auf eine Reise in die Welt einzelner und verschränkter Photonen.

•Nov 15, 2025•0 citations

Ein Photon kommt selten allein …

Viola Küstner

Optik & Photonik•Oct 1, 2012•0 citations

Electron-Heralded Parametric Photon Generation

Germaine Arend

Aktueller Forschung zufolge besitzen quantenmechanische Phänomene großes Potential, die moderne Technologie zu verbessern, zum Beispiel über die Erhöhung von Rechengeschwindigkeit und durch sichere Datenverschlüsselung. Die zugrunde liegenden technologischen Fortschritte beruhen auf der effizienten Erzeugung von speziell zugeschnittenen "quantenoptischen Zuständen", die typischerweise durch nichtlineare optische Effekte, oder Licht-Materie Wechselwirkung entstehen. Bemerkenswerterweise soll die direkte Streuung zwischen freien Elektronen und optischen Moden auch als eine Quelle dieser quantenoptischen Strahlung fungieren, bei der die Eigenschaften der generierten Photonen, wie die spektrale Verteilung, die Polarisation und die Zustandsstatistik, durch die Elektronenenergie und die Streugeometrie vorgegeben werden. Diese kumulative Dissertation zeigt die Elektronen-induzierte Generation von nicht-klassischem Licht in einem Transmissionselektronenmikroskop durch direkte Streuung freier Elektronen an der optischen Mode eines Wellenleiters. Durch die Anpassung der Phasengeschwindigkeit der optischen Mode an die Geschwindigkeit der hochenergetischen Elektronen wird deren Interaktionswahrscheinlichkeit verbessert, was zu einer erheblichen Steigerung der Photonenausbeute führt. Die gestreuten Elektronen und erzeugten Photonen werden in Koinzidenz detektiert, wodurch ihre zeitliche und energetische Korrelation zutage tritt und unkorreliertes Rauschen unterdrückt wird. Dies ermöglicht die Demonstration von Elektron-Photon-Paarzuständen und eine ausführliche Analyse des Photonen-Erzeugungsprozesses, die in zwei Artikeln präsentiert werden. Die Kombination der Koinzidenz-Detektion mit einer Post-Selektion von inelastisch gestreuten Elektronen bei einem definierten Energieverlust ermöglicht schließlich die Detektion Elektron-angekündigter Photonenzahl-Zustände, die als quantenoptisch gelten. Darüber hinaus wird die Koinzidenzfilterung detektierter Elektronen und Photonen demonstriert, welche eine rauscharme und kontrastverstärkte Bildgebung optischer Moden ermöglicht. Diese Ergebnisse, welche sich auf Elektronen-Photonen-Streuung auf Einzel-Teilchen Ebene stützen, versprechen effiziente Anwendungen in koinzidenzverbesserter Elektronenmikroskopie und ermöglichen zukünftige Forschung im Bereich der freie-Elektronen-Quantenoptik, wie bespielsweise die vielseitige Photonenzustands-Erzeugung, und die Elektron-Photon Verschränkung.

•Jan 1, 2025•0 citations

Towards narrow-band photon pair sources for continuous-wave entanglement swapping

Sebastian Philipp Neumann

Bevor Quantenschlusselverteilung eine kommerziell verwendbare Technologie werden kann, mussen noch einige Hindernisse bewaltigt werden. Eines der wichtigsten ist dabei die Verteilung von Verschrankung uber grose Distanzen via verlustanfalliger Kanale. Dem neuesten Stand der Forschung zufolge ist die Kodierung von Qubits in Photonen der vielversprechendste Ansatz dafur, bevorzugterweise durch direkte optische Ubertragung durch die Luft („Free-Space“) unter Verwendung von Teleskopen. Um Verschrankungstausch („Entanglement Swapping“), ein essentielles Element der Verschrankungsverteilung, uber weitreichende Free-Space- Verbindungen moglich zu machen, mussen mehrere raumlich getrennte verschrankte Photonen quantenmechanisch ununterscheidbar gemacht werden. Das bedeutet, dass die Photonen — neben anderen Freiheitsgraden — innerhalb ihrer Koharenzzeit uberlappen mussen. Da die Koharenzzeit von zwei per spontaner parametrischer Fluoreszenz („Spontaneous Parametric Down Conversion“, SPDC) erzeugten Photonen mit einer typischen spektralen Halbwertsbreite von 0.5nm nur in etwa 4ps betragt, stellt sich dies als auserst schwierig heraus. Bis zum heutigen Tag wurden ausschlieslich gepulste und zeitlich synchronisierte Photonenquellen verwendet, um Multiphotonexperimente mit Polarisationsverschrankung durchzufuhren. Da zeitliche Synchronisierung uber grose Distanzen deutlich schwieriger wird und weiters die breite Spektralverteilung von Photonen aus gepulsten Quellen die Verwendung von Atom-Quantenspeichern („Atomic Memories“) aufgrund ihrer extrem schmalen Anregungsspektren verbietet, ist die Verwendung eines „Continuous-Wave(CW), also ungepulsten, Lasers zu bevorzugen. Um dann allerdings Unterscheidbarkeit der Photonen auszuschliesen, muss ihre Koharenzzeit verlangert werden. Das wurde auch bereits durchgefuhrt [1], aber nur unter Verwendung von Zeitschritt-Verschrankung („Time-Bin Entanglement“) und mit extrem niedrigen Zahlraten von nur einer Koinzidenz pro Stunde. Doch wir wollen Polarisationsverschrankung benutzen und die Koinzidenzraten auserdem aus praktischen Grunden deutlich erhohen. Die Koharenzeigenschaften von per SPDC erzeugten polarisationverschrankten Photonenpaaren stehen in Relation zu ihrer gemeinsamen spektralen Dichtefunktion: je schmaler das Spektrum, desto langer die Koharenzzeit. Die Aufgabe dieser Masterarbeit war es nun, verschiedene Moglichkeiten fur die Entwicklung einer polarisationsverschrankenden Photonenquelle mit solch schmalen Wellenlangenspektren zu untersuchen, mit dem endgultigen (in dieser Masterarbeit nicht zu erreichenden) Ziel, diese sogar fur Applikationen im Weltraum einsetzen zu konnen. Darum wurde im Verlaufe dieser Arbeit eine superhelle Sagnac-Quelle gebaut, wobei das Hauptaugenmerk auf Robustheit, Temperaturstabilitat und Entwicklung eines unkomplizierten Optimierungsalgorithmus lag. Die verschrankten Photonen einer solch hellen Quelle durch mehrere aufeinanderfolgende Filter von abnehmender Bandbreite (3nm, 0.1nm, 0.01nm) zu schicken, erhoht ihre Koharenzzeit bis zu einer Ordnung von mehreren hundert Pikosekunden. Um auch eine Alternative zu einem solchen Filterschema zu prasentieren, wurde auserdem berechnet, wie ein Schema zum Verschrankungstausch mit durch einen Resonator verbesserten Photonenquellen realisierbar gemacht werden konnte und welche Verluste dabei toleriert werden konnten, um immer noch einen hohen Signalkontrast zu erzielen.

•Jan 1, 2016•0 citations
Photonen sind Quanten des elektromagnetischen Feldes und damit Objekte in der Raumzeit. Ein einzelnes Photon ist durch seine Ausbreitungsrichtung und durch seine Quantenzahl gekennzeichnet. Die Detektion einzelner Photonen in der Quantenphysik ist möglich und wird durch hochempfindliche Detektoren erreicht, die auf quantenmechanischen Effekten basieren. Neueste Entwicklungen der Photonen-Messtechnik mit supraleitenden Nanodraht-Einzelphotonen-Detektoren mit einer Zeitauflösung von wenigen Pikosekunden (ps) ermöglichen nicht nur die Detektion einzelner Photonen, sondern auch die direkte Bestimmung der Quantenzahlen. Das ist von Interesse bei der digitalen sicheren Kommunikation mit einzelnen Photonen, beim optischen Rechnen mit einzelnen Photonen und bei der Bildgebung mit einzelnen Photonen. Dieser Vortrag nimmt Sie mit auf eine Reise in die Welt einzelner und verschränkter Photonen.
Aktueller Forschung zufolge besitzen quantenmechanische Phänomene großes Potential, die moderne Technologie zu verbessern, zum Beispiel über die Erhöhung von Rechengeschwindigkeit und durch sichere Datenverschlüsselung. Die zugrunde liegenden technologischen Fortschritte beruhen auf der effizienten Erzeugung von speziell zugeschnittenen "quantenoptischen Zuständen", die typischerweise durch nichtlineare optische Effekte, oder Licht-Materie Wechselwirkung entstehen. Bemerkenswerterweise soll die direkte Streuung zwischen freien Elektronen und optischen Moden auch als eine Quelle dieser quantenoptischen Strahlung fungieren, bei der die Eigenschaften der generierten Photonen, wie die spektrale Verteilung, die Polarisation und die Zustandsstatistik, durch die Elektronenenergie und die Streugeometrie vorgegeben werden. Diese kumulative Dissertation zeigt die Elektronen-induzierte Generation von nicht-klassischem Licht in einem Transmissionselektronenmikroskop durch direkte Streuung freier Elektronen an der optischen Mode eines Wellenleiters. Durch die Anpassung der Phasengeschwindigkeit der optischen Mode an die Geschwindigkeit der hochenergetischen Elektronen wird deren Interaktionswahrscheinlichkeit verbessert, was zu einer erheblichen Steigerung der Photonenausbeute führt. Die gestreuten Elektronen und erzeugten Photonen werden in Koinzidenz detektiert, wodurch ihre zeitliche und energetische Korrelation zutage tritt und unkorreliertes Rauschen unterdrückt wird. Dies ermöglicht die Demonstration von Elektron-Photon-Paarzuständen und eine ausführliche Analyse des Photonen-Erzeugungsprozesses, die in zwei Artikeln präsentiert werden. Die Kombination der Koinzidenz-Detektion mit einer Post-Selektion von inelastisch gestreuten Elektronen bei einem definierten Energieverlust ermöglicht schließlich die Detektion Elektron-angekündigter Photonenzahl-Zustände, die als quantenoptisch gelten. Darüber hinaus wird die Koinzidenzfilterung detektierter Elektronen und Photonen demonstriert, welche eine rauscharme und kontrastverstärkte Bildgebung optischer Moden ermöglicht. Diese Ergebnisse, welche sich auf Elektronen-Photonen-Streuung auf Einzel-Teilchen Ebene stützen, versprechen effiziente Anwendungen in koinzidenzverbesserter Elektronenmikroskopie und ermöglichen zukünftige Forschung im Bereich der freie-Elektronen-Quantenoptik, wie bespielsweise die vielseitige Photonenzustands-Erzeugung, und die Elektron-Photon Verschränkung.
Bevor Quantenschlusselverteilung eine kommerziell verwendbare Technologie werden kann, mussen noch einige Hindernisse bewaltigt werden. Eines der wichtigsten ist dabei die Verteilung von Verschrankung uber grose Distanzen via verlustanfalliger Kanale. Dem neuesten Stand der Forschung zufolge ist die Kodierung von Qubits in Photonen der vielversprechendste Ansatz dafur, bevorzugterweise durch direkte optische Ubertragung durch die Luft („Free-Space“) unter Verwendung von Teleskopen. Um Verschrankungstausch („Entanglement Swapping“), ein essentielles Element der Verschrankungsverteilung, uber weitreichende Free-Space- Verbindungen moglich zu machen, mussen mehrere raumlich getrennte verschrankte Photonen quantenmechanisch ununterscheidbar gemacht werden. Das bedeutet, dass die Photonen — neben anderen Freiheitsgraden — innerhalb ihrer Koharenzzeit uberlappen mussen. Da die Koharenzzeit von zwei per spontaner parametrischer Fluoreszenz („Spontaneous Parametric Down Conversion“, SPDC) erzeugten Photonen mit einer typischen spektralen Halbwertsbreite von 0.5nm nur in etwa 4ps betragt, stellt sich dies als auserst schwierig heraus. Bis zum heutigen Tag wurden ausschlieslich gepulste und zeitlich synchronisierte Photonenquellen verwendet, um Multiphotonexperimente mit Polarisationsverschrankung durchzufuhren. Da zeitliche Synchronisierung uber grose Distanzen deutlich schwieriger wird und weiters die breite Spektralverteilung von Photonen aus gepulsten Quellen die Verwendung von Atom-Quantenspeichern („Atomic Memories“) aufgrund ihrer extrem schmalen Anregungsspektren verbietet, ist die Verwendung eines „Continuous-Wave(CW), also ungepulsten, Lasers zu bevorzugen. Um dann allerdings Unterscheidbarkeit der Photonen auszuschliesen, muss ihre Koharenzzeit verlangert werden. Das wurde auch bereits durchgefuhrt [1], aber nur unter Verwendung von Zeitschritt-Verschrankung („Time-Bin Entanglement“) und mit extrem niedrigen Zahlraten von nur einer Koinzidenz pro Stunde. Doch wir wollen Polarisationsverschrankung benutzen und die Koinzidenzraten auserdem aus praktischen Grunden deutlich erhohen. Die Koharenzeigenschaften von per SPDC erzeugten polarisationverschrankten Photonenpaaren stehen in Relation zu ihrer gemeinsamen spektralen Dichtefunktion: je schmaler das Spektrum, desto langer die Koharenzzeit. Die Aufgabe dieser Masterarbeit war es nun, verschiedene Moglichkeiten fur die Entwicklung einer polarisationsverschrankenden Photonenquelle mit solch schmalen Wellenlangenspektren zu untersuchen, mit dem endgultigen (in dieser Masterarbeit nicht zu erreichenden) Ziel, diese sogar fur Applikationen im Weltraum einsetzen zu konnen. Darum wurde im Verlaufe dieser Arbeit eine superhelle Sagnac-Quelle gebaut, wobei das Hauptaugenmerk auf Robustheit, Temperaturstabilitat und Entwicklung eines unkomplizierten Optimierungsalgorithmus lag. Die verschrankten Photonen einer solch hellen Quelle durch mehrere aufeinanderfolgende Filter von abnehmender Bandbreite (3nm, 0.1nm, 0.01nm) zu schicken, erhoht ihre Koharenzzeit bis zu einer Ordnung von mehreren hundert Pikosekunden. Um auch eine Alternative zu einem solchen Filterschema zu prasentieren, wurde auserdem berechnet, wie ein Schema zum Verschrankungstausch mit durch einen Resonator verbesserten Photonenquellen realisierbar gemacht werden konnte und welche Verluste dabei toleriert werden konnten, um immer noch einen hohen Signalkontrast zu erzielen.