Quantenkryptographie: von einzelnen Photonen zum sicheren Schlüssel

Andreas Poppe, Hannes Hübel, Bernhard Schrenk +5 more

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

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

Wolfgang Cassing

Matthias Fink

Die Quantenkryptographie erfährt in jüngster Zeit einen Zuwachs an öffentlichem Interesse aufgrund des ersten interkontinentalen Austauschs von quantenverschlüsselten Nachrichten. Von dieser Faszination und dem technologischen Fortschritt, welchen derartige Satellitenexperimente mit sich bringen, profitieren viele angrenzende Fachgebiete. Beispielhaft dafür ist die hier vorgestellte Photonenquelle, die im Hinblick auf die hohen Anforderungen von Satellitenmissionen entwickelt wurde. Mit diesem Werkzeug in Händen führen wir drei voneinander unabhängige Experimente durch. Zuerst stellen wir die Stabilität der Quelle unter enormer Belastung in einer Zentrifuge und einem Fallturm unter Beweis. Wir demonstrieren dabei eindrücklich, dass verschränkte Photonen auch abseits von luftgefederten Labortischen zum Einsatz gebracht werden können, und suchen systematisch nach Abweichungen von der Standardtheorie der Quantenmechanik in unterschiedlich stark beschleunigten Bezugssystemen. Für ein zweites Experiment konstruieren wir ein auf Zwei-Photonen Interferenz basierendes Gyroskop, mit dem wir die Absolutrotation bezüglich des Inertialraumes mit einer Präzision vermessen, welche mit klassischem Licht mit vergleichbarer Intensität wegen des fundamentalen Schrotrauschens der einzelnen Photonen nicht erreicht werden kann. Abschließend schicken wir die von der Quelle erzeugten Photonenpaare über eine Distanz von \unit[1.2]{km} durch den städtischen Nachthimmel von Wien. Mit einem eigens dafür konstruierten Empfänger untersuchen wir die Sichtbarkeit von Interferenz zweiter Ordnung welche von fundamentaler Bedeutung für die technische Realisierung von Zweigstellen in zukünftigen Quantennetzwerken ist.

Axel Föry

Stephan Götzinger, Vahid Sandoghdar

Abstract Die Kopplung von Emittern mit einzelnen Photonen ist von zentraler Bedeutung für die Realisierung von Quantennetzwerken und anderen zukünftigen optischen Quantentechnologien. Unserer Arbeitsgruppe ist es kürzlich gelungen die Kommunikation zweier entfernter Moleküle durch einzelne Photonen zu zeigen. Dies ebnet den Weg zu Experimenten, in denen einzelne Photonen als Träger von Quanteninformation mit Hilfe von einzelnen Atomen oder Molekülen weiterverarbeitet werden.