LV 704103, SS 2014

Seminar mit Bachelorarbeit: Experimentalphysik

Themenauswahl aus dem Forschungsgebiet Photonik

Betreuung: Gregor Weihs, Robert Keil, Kaisa Laiho, Ana Predojević, Zoltán Vörös

Themengruppe B:         

B1.     Quantenkommunikation

G. Weihs

Quantenschlüsselverteilung ist ein etabliertes Protokoll in welchem Quanteneigenschaften ausgenutzt werden um eine kryptographische Grundfunktionalität (Primitiv) zu erzielen. Neben der Quantenschlüsselverteilung gibt es noch weitere wichtige kryptographische Primitive, für die jedoch nicht klar ist, ob Quanteninformation tatsächlich einen Vorteil bringen kann. Einige Beispiele sind der sichere Münzwurf (coin-flip), „bit-Committment“, oder „oblivious transfer“ (Übertragung ohne Gedächtnis). In eingeschränkten quantenmechanischen Sicherheitsmodellen wurden jedoch sichere  Implementierungen dieser Primitive bewiesen und auch schon experimentell umgesetzt.

Literatur:

N. H. Y. Ng, S. K. Joshi, C. C. Ming,, C. Kurtsiefer, & S. Wehner, Experimental implementation of bit commitment in the noisy-storage model, Nature Communications 3, 1326 (2012); doi:10.1038/ncomms2268

C. Erven, N. Ng, N. Gigov, R. Laflamme, S. Wehner, G. Weihs, An Experimental Implementation of Oblivious Transfer in the Noisy Storage Model, arXiv:1308.5098

B2.     Transport in periodischen und ungeordneten Systemen

R. Keil, G. Weihs

Die elektrische Leitfähigkeit eines Kristalls ist im Allgemeinen wesentlich höher als die eines amorphen Materials, das aus den gleichen Atomen aufgebaut ist. Die Ursache dafür ist, dass sich die Wellenfunktion eines Elektrons zwar ungehindert durch das periodische Medium ausbreiten kann, in einem ungeordneten Material jedoch lokalisiert ist. Dies führt zu einer Unterdrückung des Elektronentransports. Dieses Phänomen der Anderson-Lokalisierung wurde erstmalig im Jahr 1958 vorhergesagt [Phys. Rev. 109, 1492 (1958)].

Es ist jedoch außerordentlich schwierig den Transport von Elektronen direkt zu untersuchen, da in einem Festkörper immer viele Elektronen vorliegen, die miteinander und dem Gitter wechselwirken. Bei der Anderson-Lokalisierung handelt es sich allerdings um ein reines Wellenphänomen, daher kann sie auch in anderen Systemen beobachtet werden, z.B. in der Optik [Nature Phot. 7, 197 (2013)].

Hier entspricht ein einzelner Potentialtopf einem optischen Wellenleiter und das Potential eines Kristalls daher einer periodischen Anordnung aus Wellenleitern. Solche Systeme weisen einen effizienten Lichttransport auf. Wird jedoch eine zufällige Unordnung eingebracht, so wird der Transport unterdrückt. Auf diese Weise gelingt ein direkter experimenteller Nachweis der Anderson-Lokalisierung. [Nature 446, 52 (2007); Phys. Rev. Lett. 100, 013906 (2008)].

Das Ziel dieser Arbeit besteht darin sich in das Phänomen der Anderson-Lokalisierung einzuarbeiten, insbesondere auf deren experimentellen Nachweis in der Optik. Nur grundlegende Kenntnisse der Quantenmechanik werden benötigt. Wenn es die Zeit erlaubt, kann auch ein Demonstrationsexperiment durchgeführt werden.

B3.     Phasenraumcharakterisierung des Lichts

K. Laiho, G. Weihs

Verschiedene Klassen von quantenoptischen Zuständen können durch ihre quasi-Verteilungsfunktionen charakterisiert werden, welche als Alternativen zur Dichtematrix des Zustands gesehen werden können. Die Phasenraum-Charakteristik gibt nützliche Informationen über wichtige Eigenschaften eines Zustands, z.B. ob es sich um einen nichtklassischen Zustand handelt.

Die Charakerisierung im Phasenraum kann experimentell durch homodyn-Tomographie oder direkt durch Messungen der Photonenzahl-Parität erfolgen. In dieser Arbeit sollen die verschiedenen Phasenraumeigenschaften und deren experimentelle Bestimmung erarbeitet werden.

Literatur:

K. E. Cahill and R. J. Glauber, Density operators and quasiprobability disrtributions, Phys. Rev. 177, 1882 (1969).

W. P. Schleich, Quantum optics in phase space (Wiley-VCH, Berlin, 2001).

W. Vogel and D.-G. Welsch, Quantum optics (Wiley-VCH, Berlin, 2006).

D. T. Smithey, M. Beck, M. G. Raymer, and A. Faridani, Measurement of the Wigner distribution and the density matrix of a light mode using optical homodyne tomography: application to squeezed states and the vacuum, Phys. Rev. Lett. 70, 1244 (1993).

K. Banaszek, C. Radzewicz, K. Wodkiewicz, and J. S. Krasinski, Direct measurement of the Wigner function by photon counting, Phys. Rev. A 60, 674 (1999).

B4.     Photonenzahltreue Detektion von Licht

K. Laiho, G. Weihs

In der Quantenoptik können wir viel über das Licht lernen, indem wir es detektieren. Perfekte Photonenzähler existieren allerdings nicht, insbesondere ist die Effizienz meistens limitiert. Oder ein Detektor wie die Lawinendiode ist zwar für einzelne Photonen empfindlich, kann aber nicht zwischen einem oder mehreren Photonen unterscheiden. Deshalb wurden verschiedene Methoden (z.B. Zeit-gemultiplexte oder supraleitende Detektoren) vorgeschlagen und umgesetzt, um auf die Photonenzahlverteilung zurückschließen zu können. In dieser Arbeit soll die Photonenzahlverteilung verschiedener Lichtzustände analysiert werden und die existierenden Techniken zu ihrer Bestimmung beschrieben und verglichen werden.

Literatur:

R. Loudon, The quantum theory of light (Oxford University Press, 2004).

C. Silberhorn, Detecting quantum light, Cont. Phys. 48, 143 (2007).

R. H. Hadfield, Single-photon detectors for optical quantum information applications, Nature Photon. 696, (2009).

G. S. Buller and R. J. Collins, Single-photon generation and detection, Meas. Sci. Technol. 21, 012002 (2010).