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Projekt
Präparation und Detektion quantenoptischer Überlagerungszustände für eine Verwendung als Informationsträger
Antragsteller
Professor Dr. Werner Martienssen (†)
Fachliche Zuordnung
Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
Förderung
Förderung von 1999 bis 2003
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5180824
Photonen mit zusätzlichem Phasenfreiheitsgrad als Informationsträger
Die parametrische Fluoreszenz in optisch nichtlinearen Kristallen erlaubt es, Photonenpaare zu erzeugen, bei denen die beiden Photonen eines Paares auf mehrere Arten miteinander verschränkt sind. Solche Verschränkungen lassen sich besonders gut nachweisen, wenn man die beiden Photonen des Paares (Signal- und Idler-Photon gennant) an einem Stralteiler wieder miteinander überlagert und in den Ausgängen des Strahlteilers getrennt detektiert. Die Korrelation der Entstehungszeitpunkte der Paarphotonen (sie entstehen - im Rahmen ihrer Zeitunschärfe- gleichzeitig) führt zu einem nicht-klassischen Effekt, der Hong-Ou-Mandel-Interfezenz, die in den Korrelationen der beiden Detektor-Zählpulse sichtbar wird: Sind die optischen Wege der Photonenpaare bis zum Strahlteiler gleichlang, so geht die Rate der Koinzidenzereignisse gegen Null, die beiden Photonen verlassen den Strahlteiler in diesem Fall also immer gemeinsam durch einen der beiden Ausgangskanäle. Andernfalls verlassen die Paarphotonen in der Hälfte aller Fälle den Strahlteiler getrennt in beiden Ausgängen (Koinzidenz). Im Koinzidenzsignal der beiden Detektoren werden auf diese Weise Interferezen sichtbar, sogenannte Interferenzen vierter Ordnung oder auch Photonenpaar-Interferenzen. Durch ein zusätzlich in den Kanal des Signal-Photons eingebrachtes interferometrisches Bauelement (dies kann ein doppelbrechender Kristall oder ein Mach-Zehnder-Interferometer sein) kann man das Signal-Photon in Hinblick auf die Form seiner Wellengruppe manipulieren, so daß diese Wellengruppe beispielsweise in zwei getrennte Teile mit je halber Aufenthaltwahrscheinlichkeit zerlegt wird, die einander praktisch nicht überlappen. Dadurch erhält das Photon einen zusätzlichen inneren Freiheitsgrad, und zwar den Abstand (und damit verbunden eine Relativphase) zwischen diesen beiden `Höckern'. Bei der Koinzidenzmessung zeigt sich neben zwei Interferenzstrukturen mit halber Sichtbarkeit, die in Abstand und Breite den Höckern des Signal-Photons entsprechen, eine dritte Interferenz mit voller Sichtbarkeit, die in Abhängigkeit von der Relativphase zwischen den Höckern des Signal-Photons destruktiv oder konstruktiv sein kann; die beiden Paarphotonen verlassen den Strahlteiler also entweder immer gemeinsam in einem Ausgang (destruktive Interferenz bezüglich der Koinzidenmessung) oder immer getrennt in beiden Ausgängen (konstruktive Interferenzen). Durch Variieren der Relativphase kann dem Signal-Photon Information aufgepräft werden; mittels der Photonenpaarkorrelation kann man sie wiedergewinnen. Durch zusätzliches Verändern der Polarisation des Signal-Photons ist ein neuer Weg zum 'Quantum Dense Coding' realisierbar. Präpariert man sowohl Signal- als auch Idler-Photon auf die beschriebene Art, so werden die Photonenpaar-Interferenzen noch vielfältiger und interessanter. Eine der Strukturen in dem entstehenden Interferenzmuster hat volle Sichtbarkeit und häöngt von den Relativphasen beider Photonen ab: Sind beide Relativphasen ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenänger oder beide ein ungeradzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge, so ist diese Interferenz destruktiv; ist aber eine der Relativphasen ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge und die andere ein ungeradzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge, dann ist diese Interferenz konstruktiv.
Auf diese Weise läßt sich ein quantenoptisches XOR realisieren.
Die parametrische Fluoreszenz in optisch nichtlinearen Kristallen erlaubt es, Photonenpaare zu erzeugen, bei denen die beiden Photonen eines Paares auf mehrere Arten miteinander verschränkt sind. Solche Verschränkungen lassen sich besonders gut nachweisen, wenn man die beiden Photonen des Paares (Signal- und Idler-Photon gennant) an einem Stralteiler wieder miteinander überlagert und in den Ausgängen des Strahlteilers getrennt detektiert. Die Korrelation der Entstehungszeitpunkte der Paarphotonen (sie entstehen - im Rahmen ihrer Zeitunschärfe- gleichzeitig) führt zu einem nicht-klassischen Effekt, der Hong-Ou-Mandel-Interfezenz, die in den Korrelationen der beiden Detektor-Zählpulse sichtbar wird: Sind die optischen Wege der Photonenpaare bis zum Strahlteiler gleichlang, so geht die Rate der Koinzidenzereignisse gegen Null, die beiden Photonen verlassen den Strahlteiler in diesem Fall also immer gemeinsam durch einen der beiden Ausgangskanäle. Andernfalls verlassen die Paarphotonen in der Hälfte aller Fälle den Strahlteiler getrennt in beiden Ausgängen (Koinzidenz). Im Koinzidenzsignal der beiden Detektoren werden auf diese Weise Interferezen sichtbar, sogenannte Interferenzen vierter Ordnung oder auch Photonenpaar-Interferenzen. Durch ein zusätzlich in den Kanal des Signal-Photons eingebrachtes interferometrisches Bauelement (dies kann ein doppelbrechender Kristall oder ein Mach-Zehnder-Interferometer sein) kann man das Signal-Photon in Hinblick auf die Form seiner Wellengruppe manipulieren, so daß diese Wellengruppe beispielsweise in zwei getrennte Teile mit je halber Aufenthaltwahrscheinlichkeit zerlegt wird, die einander praktisch nicht überlappen. Dadurch erhält das Photon einen zusätzlichen inneren Freiheitsgrad, und zwar den Abstand (und damit verbunden eine Relativphase) zwischen diesen beiden `Höckern'. Bei der Koinzidenzmessung zeigt sich neben zwei Interferenzstrukturen mit halber Sichtbarkeit, die in Abstand und Breite den Höckern des Signal-Photons entsprechen, eine dritte Interferenz mit voller Sichtbarkeit, die in Abhängigkeit von der Relativphase zwischen den Höckern des Signal-Photons destruktiv oder konstruktiv sein kann; die beiden Paarphotonen verlassen den Strahlteiler also entweder immer gemeinsam in einem Ausgang (destruktive Interferenz bezüglich der Koinzidenmessung) oder immer getrennt in beiden Ausgängen (konstruktive Interferenzen). Durch Variieren der Relativphase kann dem Signal-Photon Information aufgepräft werden; mittels der Photonenpaarkorrelation kann man sie wiedergewinnen. Durch zusätzliches Verändern der Polarisation des Signal-Photons ist ein neuer Weg zum 'Quantum Dense Coding' realisierbar. Präpariert man sowohl Signal- als auch Idler-Photon auf die beschriebene Art, so werden die Photonenpaar-Interferenzen noch vielfältiger und interessanter. Eine der Strukturen in dem entstehenden Interferenzmuster hat volle Sichtbarkeit und häöngt von den Relativphasen beider Photonen ab: Sind beide Relativphasen ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenänger oder beide ein ungeradzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge, so ist diese Interferenz destruktiv; ist aber eine der Relativphasen ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge und die andere ein ungeradzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge, dann ist diese Interferenz konstruktiv.
Auf diese Weise läßt sich ein quantenoptisches XOR realisieren.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
Teilprojekt zu
SPP 1078:
Quanten-Informationsverarbeitung
Beteiligte Personen
Professor Dr. Wolfgang Dultz; Professor Dr. Hartmut G. Roskos
