Spin-Photonen Verschraenkung stellt die Basis fuer zahlreiche Anwendungen in den Quantentechnologien dar, wie der Quantenkommunikation und von Quantenberechnungen. Vorschlaege zu Quantenberechnungen und Quantennetzwerken benoetigen hoch verschraenkte photonische Vielteilchen-Ressourcenzustaende und Quanten Emitter koennen verwendet werden um diese herzustellen, wenn Spin-Photonen Verschraenkung verwendet wird. Jedoch stellen die bisher vorgeschlagenen Methoden strenge Voraussetzungen an deren Energiezustaende und optischen Uebergaenge. In dieser Dissertation wird ein Protokoll praesentiert, um photonische Ressourcenzustaende herzustellen, welches die Voraussetzungen fuer den Emitter wesentlich lockert, wodurch die Methode fuer eine Reihe von moeglichen Photonenquellen verwendbar ist. Die Verbesserung wird durch Verwendung nur eines einzigen optischen Ueberganges erreicht und durch einen Wechsel in eine zeitliche Domaene. Ein unausgeglichenes Interferometer konvertiert das temporale photonische Qubit in eine Polarisationsbasis, die fuer Quantenlogik und Tomografie nuetzlich ist. Die Dissertation behandelt detailliert die experimentelle Realisierung des Hauptblockes des vorgeschlagenen Protokolls, das prinzipiell skalierbar ist, mit einem Stickstoff-Fehlstellenzentrum in Diamant. Verschraenkung zwischen dem Spin des Emitters und einem Fluoreszenz-Photon wird demonstriert, in der Form eines Bell-Zustandes. Unser Vorschlag weitet das Spektrum an Emittern, die geeignet sind um verschraenkte photonische Zustaende zu generieren und erlaubt eine Steigerung der Leistung fuer bekannte Quellen. Die Dissertationendet mit einem Ausblick in Richtung von Vielphotonen-Zustaenden.
Spin-Photonen Verschraenkung stellt die Basis fuer zahlreiche Anwendungen in den Quantentechnologien dar, wie der Quantenkommunikation und von Quantenberechnungen. Vorschlaege zu Quantenberechnungen und Quantennetzwerken benoetigen hoch verschraenkte photonische Vielteilchen-Ressourcenzustaende und Quanten Emitter koennen verwendet werden um diese herzustellen, wenn Spin-Photonen Verschraenkung verwendet wird. Jedoch stellen die bisher vorgeschlagenen Methoden strenge Voraussetzungen an deren Energiezustaende und optischen Uebergaenge. In dieser Dissertation wird ein Protokoll praesentiert, um photonische Ressourcenzustaende herzustellen, welches die Voraussetzungen fuer den Emitter wesentlich lockert, wodurch die Methode fuer eine Reihe von moeglichen Photonenquellen verwendbar ist. Die Verbesserung wird durch Verwendung nur eines einzigen optischen Ueberganges erreicht und durch einen Wechsel in eine zeitliche Domaene. Ein unausgeglichenes Interferometer konvertiert das temporale photonische Qubit in eine Polarisationsbasis, die fuer Quantenlogik und Tomografie nuetzlich ist. Die Dissertation behandelt detailliert die experimentelle Realisierung des Hauptblockes des vorgeschlagenen Protokolls, das prinzipiell skalierbar ist, mit einem Stickstoff-Fehlstellenzentrum in Diamant. Verschraenkung zwischen dem Spin des Emitters und einem Fluoreszenz-Photon wird demonstriert, in der Form eines Bell-Zustandes. Unser Vorschlag weitet das Spektrum an Emittern, die geeignet sind um verschraenkte photonische Zustaende zu generieren und erlaubt eine Steigerung der Leistung fuer bekannte Quellen. Die Dissertationendet mit einem Ausblick in Richtung von Vielphotonen-Zustaenden.
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.
Quantentechnologien versprechen die Zukunft der Informationsverarbeitung zu revolutionieren, da sie Anwendungen, wie die perfekt sichere Kommunikation sowie den Bau von Computern ermöglichen, die bestimmte Rechenaufgaben schneller als jede klassische Maschine ausführen können. Aus diesem Grund ist die Quanteninformationsforschung zu einem der Hauptforschungsbereiche der heutigen Physik geworden. Einzelne Photonen, sogenannte Lichtquanten, sind eine geeignete Plattform zum Kodieren und Verarbeiten von Quanteninformationen. Insbesondere aufgrund ihrer Mobilität sind Photonen die nat¨urlichste Wahl für Quantenkommunikation. Einer der Hauptnachteile von Photonen ist die fehlende Wechselwirkung zwischen ihnen, was die Realisierung von photonischen ”Quantentransistoren” behindert, die für die Quantenberechnung und Quantensimulation notwendig sind. Außerdem müssen sich die Photonen, unter experimentellen Bedingungen, in nicht idealen Medien ausbreiten, was einen Lichtverlust verursachen kann. Der Verlust von Photonen führt zu Fehlern in den Quantenberechnungsprotokollen und behindert die Quantenkommunikation über große Entfernungen. Viele Forschungsanstrengungen in der Quantenphotonik widmen sich daher der¨Uberwindung dieser Probleme durch technologische Verbesserungen. Die Wechselwirkung einzelner Photonen mit Materie - Atomen, Molekülen oder Festkörpersystemen - kann beide Probleme lösen. Es kann sogar eine Photon-Photon-Wechselwirkung unter Verwendung von Materialsystemen als Mediatoren realisiert werden. Photonenverluste in Quantenkommunikation können durch Quanten-Repeatern ausgeglichen werden. Diese Geräte basieren auf Quantenspeichern, die realisiert werden, indem die getragenen Informationen in den internen Zust¨anden der Materie gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt abgerufen werden können. Die Forschungsarbeiten zur photonischen Quanteninformation beschränken sich jedoch nicht nur auf technische Errungenschaften. Wichtige Erkenntnisse stammen ebenfalls aus der Untersuchung neuartiger Quantenphänomene und -protokolle, die Vorteile gegenüber klassischen beziehungsweise früheren Quantenprotokollen bieten. Die vorliegende Arbeit umfasst beide Forschungsrichtungen und präsentiert verschiedene experimentelle Projekte. Das erste Projekt beschreibt die Entwicklung und Implementierung zweier neuartiger Quantenkommunikationsprotokolle. Das zweite Projekt besteht in der Realisierung einer schmalbandigen Einzelphotonenquelle für die Wechselwirkung mit Atomen. Im ersten Quantenkommunikationsprotokoll wird experimentell gezeigt, dass ein einzelnes Photon in Quantenüberlagerung die gleichzeitige Übertragung von zwei klassischen Bits zwischen zwei entfernten Parteien in zwei entgegengesetzten Kommunikationsrichtungen ermöglicht, eine in der klassischen Physik unmögliche Aufgabe. Dieses Phänomen wird verwendet, um ein sicheres Quantenkommunikationsprotokoll zu entwickeln und zu implementieren, bei dem die Kommunikationsrichtung zwischen den Parteien privat bleibt. Im zweiten Protokoll sollen die beiden Parteien einen sicheren gemeinsamen kryptografischen Schlüssel einrichten, ohne Quantenressourcen zu verwenden, die an einen nicht vertrauenswürdigen Dritten (einen Server) delegiert werden. In diesem Sinne handelt es sich um ein Semiquantenschlüssel-Verteilungsprotokoll. Das Protokoll wird demonstriert und die sichere Schlüsselrate unter Berücksichtigung wichtiger Schwachstellen des experimentellen Aufbaus extrahiert. Das zweite Projekt ist von rein technischer Natur. Eine Quelle von Photonenpaaren mit einer spektralen Bandbreite von etwa 10 MHz wird aufgebaut und charakterisiert. Aufgrund dieser schmalen Bandbreite, können die erzeugten Photonen effizient an atomare Hyperfeinübergänge gekoppelt werden. Die Photonen werden bei einer Wellenlänge von 780 nm emittiert und sind somit auf die Hyperfeinübergänge der Rubidium-D2-Linie abgestimmt. Die Quelle basiert auf cavity-enhanced spontaneous parametric downconversion, die eine zuverlässige, relativ einfache und flexible Technik für die Erzeugung von Photonen mit schmaler Bandbreite darstellt und bezüglich ihrer Intensität frühere Quellen übertrifft. Diese Ressource soll zur Realisierung eines durch Rubidiumatome vermittelten Zwei-Photonen-Gates, in Zusammenarbeit mit externen Forschungsgruppen, eingesetzt werden
Die Realisierung von Quantennetzwerken über große Distanzen erfordert effiziente Schnittstellen zwischen Photonen und stationären Quantenspeichern. Farbzentren in Diamant stellen hierfür eine vielversprechende festkörperbasierte Plattform für Spin–Photon-Schnittstellen dar, da sie spinselektive optische Übergänge, lange Speicherzeiten und eine effiziente Spinkontrolle aufweisen. Diese Eigenschaften ermöglichten die erste Demonstration eines Quantennetzwerks mit drei Knoten auf Basis von Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in Diamant. Eine Skalierung auf Netzwerke mit mehr als drei Knoten wurde jedoch bislang durch die begrenzte Aufsammeleffizienz kohärenter Photonen verhindert. Diese Einschränkung motiviert die kontinuierliche Weiterentwicklung effizienterer Spin–Photon-Schnittstellen, wobei sowohl die Kopplung von Spindefekten an optische Resonatoren als auch die Erforschung alternativer Farbzentren, die intrinsisch einen größeren Anteil kohärenter Photonen emittieren, von zentraler Bedeutung sind. Hier wird ein kombinierter Ansatz präsentiert, der die Integration von Zinn-Fehlstellen-Zentren mit intrinsisch vorteilhaften optischen Eigenschaften in eine faserbasierte Mikroresonator-Plattform zur effizienten Licht-Materie-Wechselwirkung realisiert. Diese Arbeit demonstriert die Integration einer vollständig durchstimmbaren faserbasierten Fabry-Pérot-Mikroresonatorplattform in einen Entmischungskryostaten. Das System kann bei extrem niedrigem mechanischem Rauschen betrieben werden und erreicht passive Stabilitäten des Spiegelabstands von unter 10 pm in offener Konfiguration sowie unter 1 pm bei mechanischem Kontakt zwischen Faser- und planarem Spiegel, jeweils bei einer Resonatortemperatur von 1 K. Dadurch lässt sich die Plattform bei hoher Finesse und entsprechend starker Licht–Materie-Wechselwirkung in einem Temperaturregime betreiben, in dem phononinduzierte Spin-Dekohärenz stark unterdrückt ist. Darüber hinaus präsentieren wir den vollständigen Prozess von kommerziell verfügbaren Diamantsubstraten bis hin zu resonatorintegrierten Diamantmembranen mit eingebetteten Zinn-Fehlstellen-Zentren. Durch sorgfältige Probenpräparation und -integration können wir den hybriden Luft-Diamant-Resonator in einem Regime betreiben, in dem die hohe Brechzahl der Diamantmembran genutzt wird, um das Feld in der Diamantregion zu konzentrieren. Dieses Regime, in dem die Licht-Materie-Wechselwirkung besonders stark ist, ist typischerweise schwer zugänglich, da Oberflächenrauigkeit an der Diamant-Luft-Grenzfläche mit hohen Streuverlusten einhergeht. Die präsentierte experimentelle Plattform wird anschließend genutzt, um Purcell-verstärkte Emission von einzelnen Zinn-Fehlstellen-Zentren in Diamant zu demonstrieren. Wir beobachten eine Purcell-induzierte Verkürzung der Lebensdauer des optisch angeregten Zustands für eine diamantkonzentrierte Resonatormode, die einer Kooperativität von bis zu C0=4.1 entspricht. Dieser Wert ist etwa doppelt so hoch wie der für eine luftkonzentrierte Mode beobachtete Wert (C0=2.2) und lässt sich auf die sorgfältige Probenpräparation sowie die damit verbundenen geringen Streuverluste zurückführen. In diesem Regime hoher Kooperativität weisen wir zudem kohärente Kopplung zwischen einem Zinn-Fehlstellen-Zentrum und dem Mikroresonator nach, die sich experimentell in einer emitterinduzierten Extinktion in der Resonatortransmission äußert und mittels eines schwachen kohärenten Feldes ausgelesen wird. Aus dieser Messung wird eine kohärente Kooperativität von C=1.4 extrahiert, entsprechend einem Extinktionskontrast von C=0.81. Schließlich wird durch Anlegen eines externen Magnetfeldes die Entartung der Spin-Unterzustände aufgehoben, sodass die resultierende Zeeman-Aufspaltung spin-selektiver optischer Übergänge in der Transmission aufgelöst werden kann. Diese Ergebnisse stellen einen entscheidenden Schritt hin zu einer mikroresonatorverstärkten Spin-Photon-Schnittstelle für Zinn-Fehlstellen-Zentren in Diamant dar, die eine zentrale Voraussetzung für quantenspeicherassistierte Quantennetzwerke über große Distanzen bildet. Im Kontrast zum Einzelemitter-Regime, das im Großteil der vorliegenden Arbeit untersucht wird, betrachten wir zusätzlich ein grundlegend anderes Regime, in dem ein Ensemble von Emittern kollektiv an einen Mikroresonator gekoppelt ist. Dieses ermöglicht die Untersuchung kollektiver Effekte der Licht-Materie-Wechselwirkung, die durch ein gemeinsames Strahlungsfeld vermittelt werden. Durch die Kopplung eines kleinen Ensembles von etwa 15 Stickstoff-Fehlstellen-Zentren an die optische Mode weisen wir experimentelle Signaturen kollektiver Emission und Superfluoreszenz nach. Auch wenn diese Experimente nicht direkt durch Anwendungen in Quantennetzwerken motiviert sind, verdeutlichen die Ergebnisse die breite Reichweite und Vielseitigkeit resonatorbasierter quantenoptischer Experimente mit Farbzentren in Diamant.
Hochdimensionale Zeit-Bin-Verschränkung ist eine vielversprechende Ressource für Quantennetzwerke, da sie die Robustheit zeitlicher photonischer Kodierung mit der erhöhten Informationskapazität und Rauschtoleranz hochdimensionaler Quantenzustände verbindet. Im Vergleich zu konventionellen qubitbasierten Schemata kann hochdimensionale Verschränkung die pro detektiertem Photonenpaar übertragene Information erhöhen und die Leistungsfähigkeit in den verlust- und rauschbegrenzten Regimen verbessern, die für Quantenkommunikation über große Distanzen relevant sind. Die Zeit-Bin-Kodierung ist besonders attraktiv, da sie mit derÜbertragung in optischen Fasern und Freiraumkanälen kompatibel ist, während derPropagation keine Polarisationsstabilität erfordert und sich mit ausgereiften photonischen und interferometrischen Technologien implementieren lässt. Die praktische Nutzung wird jedoch durch die Schwierigkeit skalierbarer Messungen sowie durch die Notwendigkeit systematischer Optimierung zeitlicher Kodierung unterrealistischen experimentellen Bedingungen eingeschränkt.Diese Dissertation entwickelt einen Rahmen für die Erzeugung, Messung, Analyse und Verteilung hochdimensionaler Zeit-Bin-Verschränkung für Quantennetzwerke. Die Arbeit verwendet eine skalierbare Messarchitektur, die auf einem einzel-nen unbalancierten Interferometer basiert, das Kohärenzen zwischen benachbarten Zeit-Bins sondiert und dadurch lange oder kaskadierte Interferometer vermeidet,die bei hoher Dimension zunehmend instabil werden. Mit faserintegrierten Komponenten implementiert, stellt dieser Ansatz eine netzwerkkompatible Plattform für hochdimensionale Quantenkommunikation bereit. Innerhalb dieses Rahmens werden kontinuierlich gepumpte und gepulste Quellen spontaner parametrischer Abwärtskonversion untersucht, um zu bestimmen, wie Quellcharakteristika, zeitlicher Detektorjitter und zeitliche Diskretisierung gemeinsam die Qualität der Verschränkung bestimmen.Ein zentrales Ergebnis ist, dass die zeitliche Diskretisierung nicht lediglich ein nachgelagerter Verarbeitungsschritt ist, sondern ein definierendes Element des physikalischen Protokolls darstellt. Die Zeit-Bin-Breite, die Frame-Konstruktion und die zeitliche Filterung beeinflussen direkt den Erhalt von Koinzidenzen, die Messvisibilität, die Qualität der Verschränkung und die sichere Kommunikationsrate. Um dies zu adressieren, werden sequentielle Zeit-Bin-Frames mit Guard-Window-Filterung eingeführt und systematisch analysiert. Für die kontinuierlich gepumpte Quelle ist ein von null verschiedenes Guard Window erforderlich, umdurch Jitter verursachte Fehlzuordnungen von Zeit-Bins zu unterdrücken und die Leistungsfähigkeit zu maximieren. Für die gepulste Quelle reduziert die durch den Pump definierte zeitliche Struktur bereits Randfehler, wodurch die Leistungsfähigkeit weniger empfindlich gegenüber der Dauer des Guard Windows wird. In beiden Fällen verbessert eine Erhöhung der Kodierungsdimension die pro detektiertem Photonenpaar gewonnene Information, wobei Dimensionen bis zu d = 64klare Vorteile gegenüber qubitbasierter Kodierung bieten.Um dieses Verhalten zu erklären und vorherzusagen, wird ein einheitliches,dimensionsunabhängiges Modell entwickelt, das das Emissionsprofil der Quelle mit der experimentell gemessenen zeitlichen Antwort der Detektoren kombiniert.Das Modell reproduziert die beobachteten Einzelzählraten, Koinzidenzwahrscheinlichkeiten und Visibilitäten sowohl für kontinuierlich gepumpten als auch für gepulsten Betrieb auf wenige Prozent genau und ermöglicht eine a priori-Optimierungder Diskretisierungs- und Filterparameter. Dies stellt ein prädiktives Werkzeugbereit, um hochdimensionale zeitliche Kodierung an unterschiedliche Betriebsbedingungen anzupassen, anstatt sich nur auf empirische Feinabstimmung zu stützen.Im Hinblick auf feldimplementierbare hochdimensionale Quantenkommunikation untersucht diese Dissertation außerdem, wie zeitliche Kodierung unter realistischen Kanalverlusten optimiert werden sollte. Unter Verwendung einer kontinuierlich gepumpten SPDC-Quelle und unbalancierter interferometrischer Messungen werden Quellhelligkeit, Kodierungsdimension und zeitliches Guard Window gemeinsam anhand experimentell gemessener Koinzidenzstatistiken optimiert. Über einen programmierbaren Verlustdurchlauf hinweg werden 270 Parameterkonfigurationen ausgewertet, indem Pumpstrom, Dimension und Guard-Window-Dauer variiert werden. Die Ergebnisse zeigen unterschiedliche verlustabhängige Regime: Bei geringerem Verlust liefert hochdimensionale Kodierung den dominanten Gewinn und das Optimum bevorzugt größere Dimensionen wie d = 32, während sich das Optimum bei höherem Verlust zu hellerem Betrieb, kleineren Dimensionen undendlichen Guard Windows verschiebt, die zeitbezogene Fehler unterdrücken.Mit diesen verlustadaptiven Betriebspunkten wird hochdimensionale Zeit-Bin-Verschränkung über Faserspulenverbindungen großer Distanz mit komponierbarersicherer Schlüsselratenauswertung verteilt. Für die 100 km-Konfiguration erreicht der vollständig optimierte Betriebspunkt eine Schlüsselrate von 8.64 × 103 Hz beid = 32 und g = 10 ps und übertrifft die beste pumpoptimierte Qubit-Referenz ohne Guard-Window-Filterung um einen Faktor von 3.72. Für die 150 km-Konfiguration,mit Kanalverlusten nahe 36 dB, verschiebt sich das Optimum zu d = 4 undg = 10 ps, ergibt 4.1×102 Hz und eine Verbesserung um den Faktor 7.45 gegenüber der entsprechenden Qubit-Referenz. Diese Ergebnisse etablieren verlustoptimiertezeitliche Kodierung als einen praktikablen Weg zur Verteilung hochdimensionaler Verschränkung über große Distanzen und zur sicheren Quantenkommunikation unter realistischen Netzwerkbedingungen.Insgesamt etabliert diese Dissertation hochdimensionale Zeit-Bin-Verschränkung als eine praktische und skalierbare Ressource für Quantennetzwerke. Sie stellt Werkzeuge für den Entwurf netzwerkkompatibler zeitlicher Kodierungsschemata bereit, zeigt, wie quellenabhängige und verlustabhängige Optimierung die Leistungsfähigkeit signifikant verbessern kann, und demonstriert, dass hochdimension-ale Zeit-Bin-Verschränkung mit komponierbarer Sicherheit über lange Faserverbindun-gen verteilt und genutzt werden kann. Diese Ergebnisse tragen zu robusten photonischen Quantennetzwerken bei, in denen hochdimensionale zeitliche Kodierungsichere Kommunikation, Verschränkungsverteilung und vernetzte Quanteninformationsverarbeitung unterstützen kann.
Die vorliegende Arbeit hatte das Ziel basierend auf Halbleiternanostrukturen eine effiziente und skalierbare Quelle einzelner und ununterscheidbarer Photonen zu entwickeln. Dies ist eine Basiskomponente von zukünftigen quantenphysikalischen Anwendungen wie der Quantenkommunikation oder dem Quantencomputer. Diese Konzepte nutzen gezielt quantenmechanische Systeme um einerseits Kommunikation absolut abhörsicher zu machen oder um neuartige Computer zu konstruieren, die bestimmte Aufgaben - wie die Produktzerlegung großer Zahlen - effizienter lösen als heutige Systeme. Ein mögliche Realisierung der Quantenkommunikation ist beispielsweise die Schlüsselverteilung zwischen zwei Parteien durch Verwendung des BB84-Protokolls. Dazu wird eine Lichtquelle benötigt, welche die physikalisch kleinstmögliche Lichtmenge - ein einzelnes Photon - aussendet. Der Kommunikationskanal wird dann über verschiedene Polarisationszustände dieser Photonen gegen ein Abhören nach außen hin abgesichert. Da die maximale Kommunikationsdistanz aufgrund von Verlusten im Quantenkanal beschränkt ist, muss das Signal für größere Distanzen mit Hilfe eines sog. Quantenrepeaters aufbereitet werden. Ein solcher kann ebenfalls unter Verwendung von Einzelphotonenquellen realisiert werden. Das Konzept des Quantenverstärkers stellt aber die zusätzliche Anforderung an die Einzelphotonenquelle, dass die ausgesendeten Lichtteilchen in der Summe ihrer Eigenschaften wie Energie und Polarisation immer gleich und somit ununterscheidbar sein müssen. Auf Basis solcher ununterscheidbarer Photonen gibt es zudem mit dem linear optischen Quantenrechner auch mögliche theoretische Ansätze zur Realisierung eines Quantencomputers. Dabei kann über die Quanteninterferenz von ununterscheidbaren Photonen an optischen Bauteilen wie Strahlteilern ein Quanten-NOT-Gatter zur Berechnung spezieller Algorithmen realisiert werden. Als vielversprechende Kandidaten für eine solche Lichtquelle einzelner Photonen haben sich in den letzten Jahren Halbleiter-Quantenpunkte herauskristallisiert. Dank des festkörperbasierten Ansatzes können diese Strukturen in komplexe photonische Umgebungen zur Erhöhung der Photonen-Extraktionseffizienz und -Emissionsrate eingebettet werden. Ziel dieser Arbeit war somit eine effiziente Quelle einzelner ununterscheidbarer Photonen zu realisieren. Im Hinblick auf die spätere Anwendbarkeit wurde der Fokus zudem auf die skalierbare bzw. deterministische Fabrikation der Quantenpunkt-Strukturen gelegt und zwei technologische Ansätze - die kryogene in-situ-Lithographie und das positionierte Wachstum von Quantenpunkten - untersucht. Im ersten experimentellen Kapitel dieser Arbeit wird ein neuartiges Materialsystem vorgestellt, welches sich zur Generation einzelner Photonen eignet. Es können spektral scharfe Emissionslinien mit Linienbreiten bis knapp über 50 µeV aus Al0,48In0,52As Volumenmaterial beobachtet werden, wenn diese Schicht auf InP(111) Substraten abgeschieden wird. In Querschnitt-Rastertunnelmikroskopie-Messungen wurden ca. 16 nm große Cluster, welche eine um ungefähr 7 % höhere Indiumkonzentration im Vergleich zur nominellen Zusammensetzung des Volumenmaterials besitzen, gefunden. Über die Simulation dieser Strukturen konnten diese als Quelle der spektral scharfen Emissionslinien identifiziert werden. Zudem wurde mittels Auto- und Kreuzkorrelationsmessungen nachgewiesen, dass diese Nanocluster einzelne Photonen emittieren und verschieden geladene exzitonische und biexzitonische Ladungsträgerkomplexe binden können. Anschließend wurde der Fokus auf InGaAs-Quantenpunkte gelegt und zunächst im Rahmen einer experimentellen und theoretischen Gemeinschaftsarbeit die Kohärenzeigenschaften eines gekoppelten Quantenpunkt-Mikrokavität-Systems untersucht. Über temperaturabhängige Zwei-Photonen Interferenz Messungen und dem Vergleich mit einem mikroskopischen Modell des Systems konnten gezielt die Bestandteile der Quantenpunkt-Dephasierung extrahiert werden. Auf diesen Ergebnissen aufbauend wurde die gepulste, strikt resonante Anregung von Quantenpunkten als experimentelle Schlüsseltechnik etabliert. Damit konnten bei tiefen Temperaturen nahezu vollständig ununterscheidbare Photonen durch eine Zwei-Photonen Interferenz Visibilität von über 98 % nachgewiesen werden. Für ein skalierbares und deterministisches Quantenpunkt-Bauelement ist entweder die Kontrolle über die Position an welcher der Quantenpunkt gewachsen wird nötig, oder die Position an der eine Mikrokavität geätzt wird muss auf die Position eines selbstorganisiert gewachsenen Quantenpunktes abgestimmt werden. Im weiteren Verlauf werden Untersuchungen an beiden technologischen Ansätzen durchgeführt. Zunächst wurde der Fokus auf positionierte Quantenpunkte gelegt. Mittels in das Substrat geätzter Nanolöcher wird der Ort der Quantenpunkt-Nukleation festgelegt. Durch die geätzten Grenzflächen in Quantenpunkt-Nähe entstehen jedoch auch Defektzustände, die negativen Einfluss auf die Kohärenz der Quantenpunkt-Emission nehmen. Deshalb wurde an diesem Typus von Quantenpunkten die strikt resonante Anregung etabliert und zum ersten Mal die kohärente Kopplung des Exzitons an ein resonantes Lichtfeld demonstriert. Zudem konnte die deterministische Kontrolle der Exzitonbesetzung über den Nachweis einer Rabi-Oszillation gezeigt werden. Abschließend wird das Konzept der kryogenen in-situ-Lithographie vorgestellt. Diese erlaubt die laterale Ausrichtung der Mikrokavität an die Position eines selbstorganisiert gewachsenen Quantenpunktes. Damit konnte gezielt die Emission eines zuvor ausgewählten, spektral schmalen Quantenpunktes mit nahezu 75 % Gesamteffizienz eingesammelt werden. Die Ununterscheidbarkeit der Quantenpunkt-Photonen war dabei mit einer Zwei-Photonen Interferenz Visibilität von bis zu ν=(88±3)% sehr hoch. Damit wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Einzelphotonenquelle realisiert, aus der sich sehr effizient kohärente Photonen auskoppeln lassen, was einen wichtigen Schritt hin zur deterministischen Fabrikation von Lichtquellen für quantenphysikalischen Anwendungen darstellt.
Verschränkung ist nach E. Schrödinger die fundamentale Charakteristik der Quantenmechanik. Einerseits lebt ein verschränkter Zustand zweiter Spin- 12 -Teilchen auf einem vierdimensionalem Hilbert-Raum und die Theorie, um diesen Zustand zu beschreiben, ist hinreichend verstanden. Auf der anderen Seite ist die experimentelle Realisierung verschränkter Systeme, im Besonderen hybride Licht-Materie-Systeme und deren Nachweis noch immer ein anspruchsvoller Prozess. Ausgehend von einem Quantensystem, das aus einem verschränkten Atom-Photon-Paar besteht, wird hier die experimentelle Anwendung des entanglement swapping Protokolls verwendet, um einen Grundknotenpunkt einer Quanten-Repeater Verbindung aufzubauen, die aus zwei verschränkten Atomen besteht. Die angekündigte Erzeugung von Ver- schränkung zwischen zwei Atomen bereitet den Weg hin zu einem beweiskräftigem Experiment, um eine lokal-realistische Beschreibung der Welt zu falsifizieren. Ein Hauptbestandteil für diese Experimente ist die schnelle und zuverlässige Auslese des Atomzustandes von 87 Rb. Diese Arbeit beschreibt die Methode und Experimente zur Analyse des Quantenzustandes eines einzelnen 87 Rb -Atoms unter Verwendung der Photo-Ionisierung. Das Ionisations-Schema basiert auf einem Zwei-Photon-Absorbtionsprozess. Das erste Photon ist entweder mit der D 1 - oder D 2 -Linie von 87 Rb resonant, während das zweite Photon eine ausreichend kurze Wellenlänge besitzt, um den angeregten und nur den angeregten Zustand zu ionisieren. Zuerst wird der Einfluss des Ionisationslasers auf die atomaren Niveaus und die entsprechenden Wellenlängen untersucht. Theoretische Überlegungen aus der Zeit-abhängigen Störungsrechnung scheinen imstande zu sein, die beobachtete Verschiebung der atomaren Resonanz-Levels zu erklären, wenn man sie mit den experimentellen Ergebnissen vergleicht. Die Linienbreite der atomaren Resonanzen wird durch den Ionisationslaser vergrößert. Dies kann durch numerisches Lösen der Lindblad-Gleichung erklärt werden und eine große Übereinstimmung wird beobachtet. Das Hauptthema dieser Arbeit ist das Auslesen eines allgemeinen Zeeman-Zustandes, d.h. Superpositionen der entarteten 5 2 S 1/2 , |F = 1i Mannigfaltigkeit von 87 Rb. Das System wird durch eine Sechs-Niveau-Lindblad-Gleichung beschrieben, um die Leistungsfähigkeit des angedachten Auslese-Verfahren abzuschätzen. Es ergibt sich rechnerische eine maximale Visibility von 0.983. Für die experimentelle Umsetzungdes Auslese-Schemas wird die Verschränkung zwischen dem Polarisationszustandes eines spontan emittierten Photons und der Zeeman-Zustand des Atoms verwendet. Durch die Messung der Polarisation wird das Atom in eine beliebige Superposition der Zeeman-Grundzustände projiziert. Eine vollständige Tomographie des Atom-Photon-Zustandes ergibt eine Fidelity von 0.95 ± 0.03. Wenn man die erzielten Ergebnisse mit der Detektion der Ionisationsfragmente unter Verwendung von channel electron multipliers kombiniert, kann eine Gesamtdetektionszeit von unter 1 μs realisiert werden. In Kombination mit dem entanglement swapping Protokol scheint ein beweiskräftiger Test der Bellschen Ungleichung durchführbar, bei dem lokale Wechselwirkung ausgeschlossen werden kann und die hohe Auslese-Genauigkeit bedarf keiner weiteren Annahmen.