Zusammenfassung Licht erlaubt es, Quanteneffekte zwischen weit entfernten Systemen mit vielen Einstellmöglichkeiten zu präparieren. Dazu zählen auch „Lichtschrauben“ mit Bahndrehimpulsen hoher Quantenzahl. Mit speziellen Spiegeln wurden bereits Bahndrehimpulse mit Quantenzahlen bis zu 10 000 ħ erzeugt. Dies ist sogar bei einzelnen Photonen möglich. Damit ist eine Form der Quantenverschränkung nutzbar, welche die Bahndrehimpuls‐Quantenzahl eines Photons mit der Polarisation eines Partnerphotons verschränkt. Bei hoher Drehimpulsquantenzahl lässt sich in einem solchen Paar entsprechend viel Quanteninformation speichern. Diese Verschränkung bleibt sogar bei der Übertragung über große Distanzen in Luft erhalten. Sie könnte damit die Bandbreite der Freiluft‐Quanteninformationsübertragung erheblich steigern.
Zusammenfassung Licht erlaubt es, Quanteneffekte zwischen weit entfernten Systemen mit vielen Einstellmöglichkeiten zu präparieren. Dazu zählen auch „Lichtschrauben“ mit Bahndrehimpulsen hoher Quantenzahl. Mit speziellen Spiegeln wurden bereits Bahndrehimpulse mit Quantenzahlen bis zu 10 000 ħ erzeugt. Dies ist sogar bei einzelnen Photonen möglich. Damit ist eine Form der Quantenverschränkung nutzbar, welche die Bahndrehimpuls‐Quantenzahl eines Photons mit der Polarisation eines Partnerphotons verschränkt. Bei hoher Drehimpulsquantenzahl lässt sich in einem solchen Paar entsprechend viel Quanteninformation speichern. Diese Verschränkung bleibt sogar bei der Übertragung über große Distanzen in Luft erhalten. Sie könnte damit die Bandbreite der Freiluft‐Quanteninformationsübertragung erheblich steigern.
Zusammenfassung Quantennetzwerke ermöglichen eine Vielzahl interessanter Anwendungen und sind daher Gegenstand intensiver Grundlagenforschung. Grundsätzlich benötigen sie für die Kommunikation fliegende Quantenbits, wofür sich Photonen am besten eignen. Eine freie Übertragung durch die Atmosphäre, auch via Satellit, funktioniert zwar über große Distanzen, hängt aber zum Beispiel vom Wetter ab. Glasfasernetze bieten eine attraktive Alternative. Allerdings ermöglichen die Verluste in ihnen eine Übertragung über maximal 100 km. Die Lösung bieten Netzwerk‐Knoten mit stationären Quantenbits in Form von einzelnen Atomen. Das Grundprinzip ist bereits im Labor demonstriert. Ein Beispiel sind Erbium‐Dotieratome in Silizium‐ oder Silikatkristallen, die als stationäre Quantenbits über ihre individuelle Frequenz einzeln adressierbar sind. Der Einbau eines solchen Kristalls in einen Fabry‐Perot‐Resonator erhöht die Effizienz der Licht‐Materie‐Wechselwirkung. Bis mit solchen Netzwerkknoten ein globales Quanteninternet realisiert werden kann, sind allerdings noch große Hürden zu überwinden.
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.
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.
Die Arbeit behandelt Quanteneffekte gespeicherter Ionen. Dabei werden zum einen Effekte behandelt, die aus der Wechselwirkung zwischen Ion und Lichtfeld enstehen, zum anderen aber auch Effekte, welche der Wechselwirkung mehererer Ionen enspringen. Bei den Effekten einzelner Ionen wird die Modifikation der Lamb-Shift unter modifizierten Randbedingungen untersucht, wobei eine theoretische Erweiterung zu den bisherigen Ansätzen gefunden wurde. Der Übergang zwischen Coherent-Population-Trapping und Autler-Townes- Splitting wird ebenso betrachtet, wobei eine scharfe mathematische zwischen den jeweiligen Regimes ermittelt werden konnte. Im weiteren Verlauf der Arbeit, werden Wechselwirkung zwischen 2 gespeicherten Ionen betrachtet. Es konnte gezeigt werden, dass zum Nachweis der Dipol-Dipol-Wechselwirkung die individuelles Detektion der Quantensprünge der einzelnen Ionen erforderlich ist. Jede andere Form der Detektion ist wegen des Quanten-Zeno-Effekts dafür nicht geeignet. Es konnten aber auch Quanteninterferenzen zwischen 2 nichtwechselwirkenden Ionen nachgewiesen werden, welche auf der Verschränkung der Ionen durch ein Messereignis beruhen. Diese manifestieren sich in den Photonenkorrelationsfunktionen des von den Ionen emittierten Lichts. Diese Betrachtungen werden auch auf Ionenketten äquidistanter Ionen ausgedehnt.
Verschränkung ist eines der grundlegendsten Merkmale in der Quantenmechanik. Sie beschreibt einen nicht separierbaren Zustand von zwei oder mehr quantenmechanischen Objekten und besitzt z. T. Eigenschaften, welche dem klassischen physikalischen Sinn widersprechen. Während das Konzept der Verschränkung, welches bereits von E. Schrödinger in 1935 eingeführt wurde, allgemein gut verstanden ist, stellen die Erzeugung und Analyse von verschränkten Zuständen noch immer eine erhebliche Herausforderung dar. Insbesondere die Verschränkung von verschiedenartigen Objekten wie Atomen und Photonen wurde erst vor kurzem erreicht und ist Gegenstand aktiver Forschung. Diese Arbeit berichtet über Experimente mit Verschränkung zwischen einem einzelnen Rubidium Atom und einem einzelnen Photon. Das Atom wird in einer optischen Falle gehalten, wo es exakt lokalisiert ist und sein interner Zustand mit Laserpulsen manipuliert werden kann. Zur Erzeugung der Verschränkung wird das Atom optisch in ein kurzlebiges höheres Niveau angeregt, von wo aus es unter Ausstrahlung eines einzelnen Photons zurück in den Grundzustand fällt. Die Polarisation des emittierten Photons ist verschränkt mit dem Spin des Atoms. In dieser Arbeit wurden Methoden entwickelt, die Präparation und Analyse des Atom-Photon Zustandes mit hoher Genauigkeit erlauben. Um den Zustand für weitere Anwendungen verfügbar zu machen, mussten mehrere Probleme gelöst werden. Erstens ist der interne Zustand des Atoms empfindlich gegenüber äußeren Störungen, insbesondere durch magnetische und elektromagnetische Felder. Um den Zustand des Atoms während des Experiments (welcher auf der Skala von Mikrosekunden abläuft) zu erhalten, wurde u. a. ein System zur aktiven Stabilisierung der Magnetfelder entwickelt. Zweitens muss das vom Atom emittierte Photon zu einem anderen Ort übertragen werden, dabei soll sein Zustand erhalten bleiben. Für diesen Zweck wurde eine faseroptische Strecke von 300 Metern Länge aufgebaut. Wegen der mechanisch bedingten Doppelbrechung in der Faser, ändert sich der Polarisationszustand des Photons während der Übertragung. Deshalb wurde ein System zur aktiven Kompensation der Doppelbrechung entworfen und installiert. Um die Zuverlässigkeit der optischen Verbindung zu bestätigen, wurde das vom Atom emittierte Photon übertragen und Verschränkung nachgewiesen. Der neue Typ der Verschränkung hat viele Anwendungen, insbesondere im Bereich der Quanten-Informationsverarbeitung. Die Fähigkeit, Superpositionszustände und verschränkte Zustände zu speichern und zu verarbeiten, erlaubt effiziente Lösung von speziellen Problemen, welche auf klassischen Computern nicht innerhalb realistischer Zeit lösbar sind. Darüber hinaus erfordert und ermöglicht die quantenmechanische Natur dieser Information prinzipiell neue Methoden der Kommunikation (z.B. Quanten-Teleportation und Kryptographie). Ein Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Implementierung des Protokolls zur Quantenteleportation an dem verschränkten Atom-Photon Paar. Ein Zustand, welcher auf das Photon kodiert wurde, konnte erfolgreich auf den atomaren Spin über eine Entfernung von 5 Metern teleportiert werden. Mit Hilfe der Methoden und Instrumente, welche während dieser Arbeit entwickelt wurden, wird es möglich, zwei Atome über eine große Entfernung zu verschränken. Dazu ist es geplant, zwei separate Atomfallen simultan zu betreiben, um zwei verschränkte Atom-Photon Paare gleichzeitig zu erzeugen. Die Interferenz der Photonen erlaubt dann einen verschränkten Zustand für die zwei Atome zu erhalten, eine Schlüsselvoraussetzung für einen fundamentalen Test der Quantenmechanik, den so genannten Bell Test.