Wir stellen drei Experimente zum Anfassen vor, die den Welle-Teilchen-Dualismus von Licht demonstrieren. Im ersten Experiment werden einzelne Photonen aus einem stark abgeschwachten Laserpointer in einzelne akustische Klicks umgesetzt, um so die Teilchennatur des Lichtes horbar zu machen. Beim zweiten Experiment handelt es sich um ein gewohnliches Doppelspaltexperiment zur Verdeutlichung der Wellennatur des Lichtes. Das dritte Experiment zeigt die Synthese dieser beiden Sichtweisen, indem das Doppelspaltexperiment mit einzelnen Photonen durchgefuhrt wird und mit einer bildverstarkten Kamera in Echtzeit die ankommenden Photonen eines nach dem anderen nachgewiesen werden. Nach einigen Sekunden Mittelungszeit wird in dem zunachst scheinbar unregelmasigen Muster der Ankunftsorte der Photonen das Beugungsbild sichtbar. Moderne Technik kann somit ein klassisches Gedankenexperiment in ein real existierendes umsetzen, welches sogar fur offentliche Ausstellungen geeignet ist. Auserdem wird eine Version der Experimente fur den kleinen Geldbeutel vorgestellt.
Wir stellen drei Experimente zum Anfassen vor, die den Welle-Teilchen-Dualismus von Licht demonstrieren. Im ersten Experiment werden einzelne Photonen aus einem stark abgeschwachten Laserpointer in einzelne akustische Klicks umgesetzt, um so die Teilchennatur des Lichtes horbar zu machen. Beim zweiten Experiment handelt es sich um ein gewohnliches Doppelspaltexperiment zur Verdeutlichung der Wellennatur des Lichtes. Das dritte Experiment zeigt die Synthese dieser beiden Sichtweisen, indem das Doppelspaltexperiment mit einzelnen Photonen durchgefuhrt wird und mit einer bildverstarkten Kamera in Echtzeit die ankommenden Photonen eines nach dem anderen nachgewiesen werden. Nach einigen Sekunden Mittelungszeit wird in dem zunachst scheinbar unregelmasigen Muster der Ankunftsorte der Photonen das Beugungsbild sichtbar. Moderne Technik kann somit ein klassisches Gedankenexperiment in ein real existierendes umsetzen, welches sogar fur offentliche Ausstellungen geeignet ist. Auserdem wird eine Version der Experimente fur den kleinen Geldbeutel vorgestellt.
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.
Der Zusammenhang zwischen Interferenz und der Verfügbarkeit von Pfadinformation ist ein Merkmal der Quantenmechanik, das Physiker seit mehr als einem Jahrhundert fasziniert. In den frühen neunziger Jahren wurde eine Reihe von Experimenten durchgeführt, die einen neuen Aspekt dieses Zusammenhangs aufzeigten. In diesen Experimenten wurde Quanteninterferenz in Situationen gezeigt, in welchen verschiedene Photonenpaarquellen ein oder beide Photonen in identische Strahlen emittierten. Im Gegensatz zu Quanteninterferenzexperimenten, in denen beide Photonen korreliert detektiert werden, kann die Interferenz in diesem Fall in der Intensität eines einzelnen Photonenstrahls beobachtet werden, obwohl Photonenpaare an dem Phänomen beteiligt sind. Dies erlaubt die Beobachtung von klassisch nicht erklärbaren Effekten mit einem einzelnen Detektor. Diese Beobachtung eröffnet die Möglichkeit, die Einzelphotoneninterferenz nur durch Manipulation eines anderen Photonenstrahls zu kontrollieren, welcher selbst nicht detektiert werden muss. In den letzten Jahren hat sich ein wachsendes Forschungsgebiet um diesen als "induced coherence without induced emission" bezeichneten Interferenzeffekt etabliert, nachdem Anwendungen für Bildgebung und Spektroskopie demonstriert wurden. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf grundlegende Aspekte des obigen Interferenzeffekts mit dem Ziel, unser Verständnis der Quantenkomplementarität in den daraus resultierenden ungewöhnlichen Situationen zu vertiefen. Nach einem kurzen Überblick über vergangene und aktuelle Forschung wenden wir uns experimentellen Beobachtungen des Phänomens der "induced coherence without induced emission" in einem Multimode-Szenario zu. Wir demonstrieren die Entstehung eines Interferenzsmusters in einem Strahl, indem wir einenm anderen Strahl kontrollieren, der nicht detektiert wird. Die Interfernzstreifen werden mit analogen Beobachtungen in klassischer Interferometrie verglichen und Unterschiede, insbesondere hinsichtlich ihrer Wellenlängenabhängigkeit, analysiert. Des weiteren wird ein Experiment vorgestellt, in dem nur eines von zwei Photonen eines Paares detektiert wird. Wir demonstrieren, dass das in einem einzelnen Photonenstrahl entstandene Interferenzmuster dazu verwendet werden kann, die Korrelationen zwischen beiden Photonen zu messen. Anschlie ßend wird gezeigt, dass es möglich ist, die Polarisation eines Lichtstrahls zu ändern, indem lediglich die in einem anderen Strahl verfügbare Pfadinformation geändert wird. Dieses Schema ermöglicht es, den Polarisationsgrad eines Lichtstrahls zu kontrollieren, ohne dessen Intensität zu beein ussen. Die Komplementarität in einer Situation, in der beide Photonen in identische Moden emittiert werden, wird in einem anderen Experiment untersucht. Wir führen ein Delayed- Choice-Experiment durch, das die Komplementarität zwischen Interferenz und Information über den Ursprung eines Photonenpaares illustriert. Die in diesem Experiment analysierten komplement ären Eigenschaften gehen über die häufig untersuchte Komplementarität zwischen Wellenund Teilchenverhalten hinaus. Sie erfordern eine Abstraktion des Interferenzkonzepts, welche den gesamten Photonenpaar-Emissionsprozess miteinbezieht. Schließlich wird ein Gedankenexperiment vorgestellt, in dem die Emission von Photonenpaaren aus drei nicht unterscheidbaren Quellen betrachtet wird. In diesem wird gezeigt, dass die Zuschreibung einer bestimmten Quelle als Ursprung eines Photonenpaares inkonsistent ist. Zum Abschluss werden einige offene Fragen diskutiert, die durch unsere Ergebnisse angeregt wurden.
Einer der bemerkenswertesten Aspekte der Bose-Einstein-Kondensation ist die natürliche Ausprägung von Korrelationen und langreichweitiger Ordnung in einem System, welches sich im thermischen Gleichgewicht befindet. Insbesondere gilt dies auch für das ideale Bose-Gas, in welchem sich im kondensierten Bereich bei Messung der Phase - beispielsweise in einem Interferenzexperiment - Kohärenz ohne jegliche Wechselwirkung zwischen den Gasteilchen ausbreitet. Dies steht im Gegensatz zu den meisten anderen Phasenübergängen, die ihrerseits eine Wechselwirkung zwischen den Teilchen verlangen, wie z.B. beim Übergang zum Ferromagnetismus. Das Auftreten der makroskopischen Phase des Bose-Einstein-Kondensats lässt sich mit dem Begriff der spontanen Symmetriebrechung erklären, einem Phänomen, das seinerseits keine Wechselwirkung erfordert. Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind Untersuchungen der Dynamik und zeitlichen Intensitäts- und Phasenkorrelationen eines Bose-Einstein-kondensierten zweidimensionalen idealen Photonengases in einem optischen Farbstoff-Mikroresonator. Die Thermalisierung der Photonen erfolgt in gewissem Sinne ähnlich zur Schwarzkörperstrahlung: Absorptions- und Reemissionsprozesse stellen eine thermische Kopplung des Lichts an ein Wärmebad und Teilchenreservoir bestehend aus Farbstoffmolekülen bei Raumtemperatur her. Anders als beim Schwarzkörperstrahler ist die Dynamik der Photonen im Mikroresonator jedoch auf ihre transversalen Freiheitsgrade beschränkt, sodass die Photonenenergien im optischen Spektralbereich thermisch über die transversale Modenstruktur des Resonators verteilt werden. Die Energie-Impuls-Relation der Photonen zeigt zudem eine formale Analogie mit der Dispersionsrelation eines zweidimensionalen massiven Bose-Gases, das in einem harmonischen Fallenpotential eingesperrt ist. Im Farbstoff-Mikroresonator lassen sich Temperatur und chemisches Potential des zweidimensionalen Photonengases unabhängig voneinander einstellen. Oberhalb einer kritischen Photonenzahl kommt es zur Bose-Einstein-Kondensation mit einer makroskopischen Besetzung des Grundzustands. In einem ersten Schritt wurde die Thermalisierungsdynamik der Photonen an dem molekularen Wärmebad durch zeitaufgelöste Messungen der optischen Frequenzverteilung im Mikroresonator, sowie einer räumlichen Relaxierung der Photonen ins Fallenzentrum nachgewiesen. Ist der thermische Kontakt zu den Farbstoffmolekülen hinreichend stark, formiert sich das Photonengas innerhalb seiner Lebensdauer im Resonator zu einer thermischen Verteilung (Bose-Einstein-Verteilung). Oberhalb einer kritischen optischen Leistung kann auf diese Weise die Thermalisierung eines laserartigen, nicht-stationären Wellenpakets hin zu einem Bose-Einstein-Kondensat festgestellt werden. Zentrales Thema der vorliegenden Arbeit sind Messungen zur Physik der Teilchenzahlfluktuationen und der Phasenkohärenz eines Bose-Einstein-Kondensats aus Licht im großkanonischen statistischen Ensemble. Die Kopplung des Photonengases an das Reservoir aus Farbstoffmolekülen lässt neben dem Austausch von Energie auch effektiven Teilchenaustausch zu, was durch das großkanonische Ensemble beschrieben werden kann. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte die Kopplung an das Teilchenreservoir experimentell bestätigt werden und erstmals eine Bose-Einstein-Kondensation im großkanonischen statistischen Ensemble beobachtet werden. Weiterhin konnte die zeitliche Kohärenz der Kondensatphase verifiziert werden. Im großkanonischen Bereich offenbaren sich diskrete Phasensprünge in der Wellenfunktion, anhand derer die spontane Symmetriebrechung bei der Kondensation in situ verfolgt werden konnte. Die Evidenzen für Thermalisierung und Phasenkohärenz lassen den Schluss zu, dass es sich bei der Bose-Einstein-Kondensation von Licht um einen Gleichgewichtsphasenübergang eines idealen Bose-Gases handelt, bei welchem die Symmetrie des Systems spontan gebrochen wird.
Durch die stetige Entwicklung von Anwendungsmöglichkeiten der Quantentechnologie steigt auch die Nachfrage nach effizienten und qualitativ hochwertigen Quellen einzelner Photonen, welche den Grundstein vieler dieser praktischen Konzepte bilden. Daher wird im Rahmen dieser Arbeit die Entwicklung einer kältemittelunabhängigen, fasergekoppelten Einzelphotonenemittereinheit, basierend auf InGaAs-Quantenpunkten, dargestellt. Hierfür werden zunächst die Grundlagen von nicht-klassischem Licht und dessen Emission durch Quantenpunkte beschrieben. Ferner wird auf die Lichtauskopplung aus Halbleitern und die Lichtführung in Glasfasern eingegangen, bevor die experimentellen Methoden zur Charakterisierung der Emitter erläutert werden. Um eine Übersicht über relevante Quellen auf Quantenpunktbasis zu geben und deren Tauglichkeit für einen Plug-And-Play-Einzelphotonendemonstrator zu prüfen, werden die spektralen und statistischen Eigenschaften von Bauteilen mit vergrabenem Verspannungszentrum, Mikrosäulenresonatoren und optisch bzw. elektrisch angeregten Mikrolinsen verglichen. Es wird beobachtet, dass alle Quellen bei Anregungsfrequenzen von einigen hundert Megahertz und teilweise sogar bis in den Gigahertzbereich Einzelphotonenemission zeigen können, sich aber Mikrolinsen wegen ihrer breitbandig erhöhten Auskoppeleffizienz von bis zu 29% als vielversprechendste Kandidaten für eine Faserkopplung und Integration in den Demonstrator erweisen. Der wichtigste Schritt zur praktischen Verwendung von Quantenpunkten ist es, die Unabhängigkeit von jeglicher Kältemittelversorgung zu gewährleisten. Daher wird im anschließenden Kapitel gezeigt, dass die Charakterisierung und der Nachweis einzelner Photonen auch mit einem kompakten Stirlingkühler mit einer Basistemperatur von 29K durchgeführt werden können. Der direkte Vergleich von Autokorrelationsmessungen des selben Quantenpunktzustands im konventionellen Helium-Flusskryostat und im Stirlingkryostat weist nahezu identische g(2)(0)-Werte von 0,03 bzw. 0,04 auf. Darauffolgend wird erläutert, wie eine unmittelbare Glasfaserankopplung von Quantenpunktstrukturen realisiert werden kann, die Umsetzung beider präsentierter Methoden - ein selbstzentrierendes Steckprinzip und eine Ansatz durch Verkleben der Komponenten - wird dargelegt und Vor- und Nachteile werden diskutiert. Der zweite Ansatz wird anschließend zur Demonstration von Einzelphotonenemission aus statistisch gekoppelten Quantenpunkten verwendet. In einem finalen Schritt, werden alle einzeln präsentierten Komponenten zu einer alleinstehenden Einzelphotonenemittereinheit zusammengefügt. Dieser Demonstrator besitzt einen optisch angeregten, an eine mehrmodige Glasfaser gekoppelten Emitter in einer Mikrolinsenstruktur, welcher von einem Stirlingkühler auf 40K gekühlt wird. Die gesamten Teile, welche zur Generation der einzelnen Photonen benötigt werden, sind in einen kompakten und variabel einsetzbaren 19”-Messrackeinschub integriert. Die Einzelphotonenemission steht dem Nutzer direkt über einen Glasfaseranschluss zur Verfügung. Dieses Ergebnis stellt einen wichtigen Schritt bei der Entwicklung praktisch einsetzbarer und qualitativ hochwertiger Einzelphotonenemittereinheiten dar und demonstriert das große Potenzial dieses Ansatzes, die gemeinhin genutzten, abgeschwächten Laserquellen durch reale Einzelphotonenquellen zu ersetzen.