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.
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.
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.
Fur die Realisierung von echten Quantencomputern und Quantennetzwerken uber die vorhandenen einfachen Laborsystem hinaus, muss die Zahl der Quantenbits (Qubits) und der notwendigen Kontrollsysteme drastisch erhoht werden. Dies wird es Quantencomputern ermoglichen bestimmte wichtige Probleme um ein vielfaches schneller zu losen als ihre klassischen Pendants. In der vorliegenden Arbeit wird es darum gehen experimentelle Grundlagen zu schaffen fur diese Skalierung von einfachen Quantensystemen hin zu photonischen Clusterzustanden.
In der Vergangenheit wurde fur die Verschrankung von Photonen die spontane parametrische Fluoreszenz (SPDC) Technik verwendet. Diese arbeitet mit nicht-linearen Kristallen zur Photonenverschrankung, allerdings ist diese Technik aufgrund ihrer„spontanen“ zufalligen Natur nur schwer zu skalieren. Dieses Problem wird in dieser Arbeit dadurch umgangen, dass ein alternativer Ansatz mit sequenziell arbeitenden Einzelphotonenquelle (SPE) benutzt wird. Hierdurch wird eine Kette aus verschrankten Photonen erzeugt. Diese Arbeit beschreibt die Weiterentwicklung vom SPDC Ansatz zur SPE basierten Photonenerzeugung anhand von mehrerer Experimente.
Zuerst wird eine SPDC-Quelle benutzt, um einen 4-Qubit Clusterzustand zu erzeugen. Dieser wird dann benutzt um eine messungsbasiert- Quantenfehlerkorrektur durchzufuhren. Hierfur wird ein logisches Qbit in einem Clusterszustand gespeichert, dass danach Umgebungseinflussen ausgesetzt wird. Anschliesend wird das logische Qubit aus dem Clusterzustand rekonstruiert. Dies demonstriert die Moglichkeit von messungs-basiertem Quantencomputing in einem realistischen Szenario.
Anschliesend wird in dieser Arbeit ein SPE basiertes Verschrankungsprotokoll vorgestellt. Dieses basiert auf nur einem einzigem optischen Ubergang und einem asymmetrischen Interferometer mit zwei unterschiedlich langen Armen. Der optische Ubergang wird benutzt um ein photonisches Qubit zu erzeugen. Dieser Prozess wird kontinuierlich wiederholt. Das Interferometer dient nun dazu die zeitlichen Unterschiede auszugleichen und zwei hintereinander erzeugte Qubits zu verschranken und in einer polarisieren Basis auszugeben. Quantentomographie wird anschliesend durchgefuhrt, um die Quantennatur des Prozesses aufzuzeigen.
Die Grundbausteine des vorgeschlagenen Protokolls werden in dieser Arbeit vorgestellt und die experimentellen Details diskutiert. Das benutzte Quantensystem ist das Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum (NV Centre); dieses wird als Einzelphotonenquelle benutzt. Leider war es nicht moglich mit dem derzeitigen Experiment Photonenzustande mit mehr als zwei Photonen herzustellen. Der Grund hierfur war die hohe experimentelle Verlustrate der Photonen und die starken Phononen-Seitenbander des NVs. In Zukunft werden wir versuchen dieses Problem mithilfe eines NVs zu uberwinden, das den Purcell Effekt nutzt. Dies wird uns eine deutlich hoherer Sammeleffizienz ermoglichen und Verluste minimieren. Dadurch wird es moglich werden Clusterzustande mit hunderten von Photonen aufzubauen. Ein weiterer Schritt ist die Erweiterung auf mehrere SPEs die parallel operieren, was es ermoglichen wurde 3-dimensionale Clusterszustande zu realisieren. Dies sollte zu einer deutlichen Erhohung der Fehlertoleranz von Quantenzustanden beitragen.
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 folgende Doktorarbeit beschreibt zwei Freiraumexperimente über große Distanzen basierend auf Multiphotonenverschränkung im Polarisationsfreiheitsgrad. Die angeführten Messungen wurden unter Verwendung eines 143 km langen horizontalen Quantenkanals durch die Erdatmosphäre zwischen den Kanarischen Inseln La Palma und Teneriffa durchgeführt. Basierend auf dem Superpositionsprinzip stellt die Quantenverschränkung den Schlüsselbaustein für das Gebiet der Quanteninformation dar. Ihre nichtklassischen Korrelationen sind die Grundvoraussetzung für spannende neue Protokolle wie etwa Quantenkryptographie, Quantenberechnungen oder Quantenteleportation. Unser erstes Experiment befasste sich mit der Teleportation von Verschränkung, auch Verschränkungsaustausch genannt. Dabei wird die Verschränkung von zwei Photonenpaaren 0-1 und 2-3 auf eine Verschränkung zwischen den Photonen 1-2 und 0-3 übertragen. Diese Eigenschaft stellt die fundamentale Ressource von sogenannten Quanten Repeater dar. Solche Geräte könnten in Zukunft verwendet werden um große Distanzen in kleinere Abschnitte zu unterteilen und schließlich die Verschränkung durch Verschränkungsaustausch über die gesamte Strecke auszudehnen. Im zweiten Experiment haben wir die Verschränkung von vier Photonen in Form eines GHZ-Zustandes gezeigt, benannt nach den Wissenschaftlern Daniel Greenberger, Michael Horne und Anton Zeilinger. Zwei Quellen für Polarisationsverschränkung in der Basisstation auf La Palma haben anhand von parametrischer Fluoreszenz des Lichts eines Femtosekundenlasers Photonenpaare mit 808 nm Wellenlänge erzeugt. In beiden Experimenten wurde pro Laserpuls jeweils eines von insgesamt vier Photonen über 143 km Luftlinie zur Empfängerstation nach Teneriffa gesendet. Die restlichen drei Photonen wurden lokal auf La Palma registriert. Für die Kompensation von langsamen atmosphärischen Turbulenzen im bodennahen Quantenkanal wurden die Teleskope anhand eines bidirektionalen geschlossenen Regelkreises kontinuierlich nachgeführt. Trotz einer mittleren Abschwächung von ca. 30 dB über den 143 km Quantenkanal haben wir mit einer statistischen Sicherheit von über 6 Standardabweichungen den Austausch der Verschränkung nachgewiesen. Weiters haben wir vier Photonen erfolgreich zu einem GHZ-Zustand verschränkt, wobei einer der vier Empfänger 143 km entfernt war. Der Austausch von Verschränkung sowie die Verschränkung mehrerer Photonen, wie etwa in einem GHZ-Zustand der Fall, bilden die Grundlage für die Verteilung von Verschränkung über große Distanzen sowie für die Verschränkung mehrerer Datenknoten miteinander. Unsere Ergebnisse beweisen die Realisierbarkeit dieser Protokolle im Lichte zukünftiger Anwendungen im Bereich der satellitenbasierten Quantenkommunikation und rücken die Vision eines weltumspannenden Quantennetzwerks näher.
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.
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.