Quantenlicht

Jens Schröter

Jonathan Pölloth, Jonas Heimerl, Andrei Rasputnyi +2 more

Die Starkfeldphysik untersucht die Interaktion von intensivem Licht mit Materie. Während für entsprechende Experimente bisher praktisch ausschließlich klassisches Laserlicht verwendet wurde, haben wir mit Hilfe von Wolframspitzen untersucht, wie sich Starkfeld‐Phänomene verhalten, wenn stattdessen intensives Quantenlicht als Treiber verwendet wird.

Jürgen Wagner

Friedrich-Schiller-Universität Jena. Multimediazentrum, Frank Setzpfandt

Quantenlicht hat eine Reihe von Eigenschaften, welche mit klassischer Physik nicht erklärbar sind. Diese können vorteilhaft für Anwendungen in der Bildgebung und Spektroskopie genutzt werden. Eine wesentliche Limitierung von Bildgebung mit klassischem Licht ist das Bildrauschen, welches die Bildqualität und Auflösung insbesondere bei geringer Lichtintensität begrenzt. Quantenlicht kann helfen, das Bildrauschen unter die klassisch zulässige Grenze zu verringern. Andere Limitierungen resultieren insbesondere aus den üblicherweise zur Bildgebung eingesetzten Sensoren, welche für sichtbares Licht optimiert sind. Viele Informationen verstecken sich aber in Spektralbereichen, welche mit diesen Sensoren nicht erfasst werden können, z.B. im Infraroten. Quanteneffekte können dabei helfen, auch diese Begrenzung zu überwinden. Dazu können Objekte mit infrarotem Licht beleuchtet werden, welches durch Quanteninterferenz „geisterhaft“ die dabei gewonnene Information auf einen sichtbaren Lichtstrahl überträgt. Die Kamera detektiert nur das sichtbare Licht, welches nie mit dem Objekt in Kontakt tritt, aber trotzdem die Bildgebung möglich macht. Im Vortrag sollen physikalische Grundeffekte und erste experimentelle Implementierungen dieser Phänomene erklärt werden. Weiterhin sollen mögliche Anwendungen, aber auch Hindernisse auf dem Weg zu einer breiten Nutzung diskutiert werden.

Lennart Jehle

In den letzten zwei Jahrzehnten haben sich Quantenpunkte (QP) zu einer unverzichtbaren Quelle von Quantenlicht entwickelt, die in einer Vielzahl von Anwendungen im Bereich der Quanteninformation eingesetzt werden, und sich zugleich als vielversprechende Plattform zur Umsetzung grundlegender Experimente in der Quantenoptik etabliert haben. Die Integration dieser künstlichen Atome in eine Festkörperumgebung ermöglicht eine außergewöhnliche Kontrolle ihrer Emissionseigenschaften. Die gleichzeitig hohe Einzelphotonenreinheit und Effizienz machen QP für eine Reihe von Quantentechnologien, darunter optisches Quantencomputing und quantengesicherte Kommunikation, äußerst attraktiv. Die Fragestellung dieser Dissertation ist zweigeteilter Natur. Auf fundamentaler Ebene untersucht sie die Dynamik der Licht-Materie-Wechselwirkungen durch Laserimpulse angeregter QP. Hierbei liegt ein besonderer Schwerpunkt auf dem Einfluss von longitudinalen akustischen Phononen, da die Kopplung des QP an seine umgebende Festkörperumgebung es erlaubt, diesen mittels eines nicht resonanten Laserpulses unter Emission eines Phonons in den optisch aktiven Zustand zu überführen. Die umfassende Analyse dieser Anregungsmethode zeigt, wie die Photonenzahlstatistik der Emission durch Leistung und Wellenlänge des Lasers moduliert wird. Darüber hinaus zeigen wir, dass bei der phononunterstützten Anregung die Emissionswellenlänge dynamisch und proportional zur instantanen Intensität des treibenden Laserfeldes verschoben wird; ein Effekt, der auch als AC-Stark-Verschiebung bekannt ist. Dabei zeigen wir erstmals, dass das Zwei-Photonen-Spektrum, das durch Reanregung entsteht, asymmetrisch ist, und stellen eine Technik vor, die diese Asymmetrie nutzt, um trotz Reanregung eine hohe Einzelphotonenreinheit wiederherzustellen. Der zweite Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Anwendung der oben genannten Erkenntnisse für die Einzelphotonen-Quantenkryptografie. Hier bietet die phononenassistierte Anregung erhebliche Vorteile: eine intrinsisch zufällig verteilte Phasenbeziehung der erzeugten Lichtzustände, eine einfach umzusetzende Laserunterdrückung und eine robuste Implementierung. In dieser Arbeit verwenden wir QP, die direkt im Telekommunikations-C-Band emittieren, wodurch minimale Übertragungsverluste und die Kompatibilität mit bestehender Infrastruktur gewährleistet werden. Während abgeschwächte kohärente Zustände (WCS) vollständig durch ihre mittlere Photonenzahl charakterisiert sind, weisen Festkörper-Einzelphotonenquellen eine komplexere Beziehung zwischen Effizienz und Reinheit auf, wie unsere erste Studie gezeigt hat. Interessanterweise stellen wir fest, dass es kein globales Optimum gibt, sondern die idealen Anregungsparameter vom jeweiligen kryptografischen Protokoll und dessen Sicherheitsgarantien abhängen. In der letzten Arbeit werden die Erkenntnisse aus diesen grundlegenden Untersuchungen angewendet, um ein verlusttolerantes Quantenbit-Commitment (QBC) mithilfe der C-Band-Photonen unseres QPs experimentell zu demonstrieren. Da bisher unklar ist, wie die bei WCS üblicherweise verwendete Decoy-State-Methode an kryptographische Primitive angepasst werden kann, bei denen Sender und Empfänger einander misstrauen (wie der Fall bei unserem QBC), ist die hohe Einzelphotonenreinheit, die QPs bieten, für diese Klasse von Protokollen besonders vorteilhaft, und QP übertreffen WCS in allen realistischen Szenarien. Wir verwenden das QBC als wichtigen Baustein in einem neuen kryptografischen Primitiv, welches wir als Limited-Knowledge-Proof bezeichnen, und beweisen dessen informationstheoretische Sicherheit unter der Annahme eines Quantenspeichers begrenzter Größe (Bounded-Storage-Modell). Das Protokoll wird über eine Glasfaserverbindung zwischen zwei Universitätsgebäuden und mithilfe aktiv polarisationscodierter BB84-Zustände implementiert. Der Polarisationsdrift der Glasfaserverbindung wird durch eine automatisierte Routine kompensiert, wodurch eine durchschnittliche Quantenbitfehlerrate von weniger als 0,5 % erreicht wird.

Jens Schröter