Transport und Verschränkung von photonischen Bahndrehimpulszuständen in turbulenter Atmosphäre

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Buchleitner
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 289382917

Photonen mit nichtverschwindendem Bahndrehimpuls bieten die Möglichkeit, moderne Freiraumkommunikationstechnologien zu revolutionieren, da in ihrer räumlichen Wellenfront hochdimensionale Quantenzustände kodiert werden können. Zu diesem Zweck muss man jedoch den Einfluss der atmosphärischen Turbulenz in den Griff bekommen, welche die Wellenfronten verformt und somit die Qualität der übertragenen Information beeinträchtigt. Im ersten Teil unseres Projekts werden wir daher eine allgemeine und innovative Transporttheorie zur Beschreibung der Propagation von Photonen in turbulenter Atmosphäre entwickeln, welche neues Licht auf verschiedene für die Quantenkommunikation im freien Raum fundamentale Fragen werfen wird. Diese Theorie wird es uns erlauben, nicht nur den Einfluss atmosphärischer Turbulenz auf photonische Bahndrehimpulszustände besser zu verstehen und quantitativ zu beschreiben, sondern auch den physikalischen Mechanismus für das Auftreten großer Intensitätsfluktuationen im transmittierten Lichtstrahl aufzuklären. Ziel des zweiten Teil des Projekts ist dann der Nachweis der Nützlichkeit von photonischen Bahndrehimpulszuständen für Freiraumquantenkommunikation oder -quanteninformation. Zu diesem Zweck werden wir effiziente Protokolle für die Detektion von Verschränkung entwickeln, robuste Zustände identifizieren, welche gegenüber der atmosphärischen Dekohärenz möglichst stabil sind, und experimentell realisierbare Möglichkeiten vorschlagen, die atmosphärischen Effekte durch Methoden der adaptiven Optik weiter zu verringern. Die theoretischen Arbeiten in Freiburg werden in enger Zusammenarbeit mit unserer experimentellen Partnergruppe in Pretoria durchgeführt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Südafrika
• Kooperationspartner: Dr. Filippus S. Roux