DE102020126956B4

DE102020126956B4 - Erzeugung von Einzelphotonen

Info

Publication number: DE102020126956B4
Application number: DE102020126956.0A
Authority: DE
Inventors: Falk Eilenberger; Tobias Vogl
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Priority date: 2020-10-14
Filing date: 2020-10-14
Publication date: 2024-03-07
Anticipated expiration: 2040-10-15
Also published as: CN116420117A; DE102020126956A1; GB202305411D0; GB2617703A; US20230384625A1; WO2022079180A1

Abstract

Verfahren zur Erzeugung von Einzelphotonen (4) mit einer vorbestimmten Wellenlänge fv, vorzugsweise zur Verwendung für optische Kommunikation, Quantenkryptographie und/oder Quanteninformatik, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:i) Erzeugen eines Einzelphotons (4), in einer Quelle (2) und einem Resonator (3), wobei das Einzelphoton (4) eine Resonator-Wellenlänge fRund eine Resonator-Bandbreite fBRaufweist,ii) Messen der Resonator-Wellenlänge fR, vorzugsweise in einem Wellenlängennormal (6), wobei das Einzelphoton (4) über eine Strahlführung (5) vom Resonator (3) zum Wellenlängennormal (6) geführt wird, gekennzeichnet durchiii) Vergleichen der Resonator-Wellenlänge fRmit der vorbestimmten Wellenlänge fv und Generieren eines Steuersignals (9) anhand des Vergleichs, vorzugsweise in einem Regler (7),iv) Einstellen des Resonators (3) durch das Steuersignal (9), um die Resonator-Wellenlänge fRin Richtung oder auf die vorbestimmte Wellenlänge fv zu ändern,v) Wiederholen der Schritte i bis iv) bis die Resonator-Wellenlänge fRder vorbestimmten Wellenlänge fv entspricht und anschließendes Auskoppeln in einen Ausgang (8), vorzugsweise durch die Strahlführung (5), eines Einzelphotons mit vorbestimmter Wellenlänge fv, und wobei die vorbestimmte Wellenlänge fv eine der Fraunhofer-Linien ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Einzelphotonen nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Einzelphotonen nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 12.
Verfahren und Vorrichtungen zur Erzeugung von Einzelphotonen sind bereits bekannt. Einzelphotonen können beispielsweise durch spontane Emission in isolierten Ionen und Atomen oder spontane Konversion in nichtlinearen Materialien oder in Quantenpunkten erzeugt werden. Die bekannten Verfahren und Vorrichtungen haben den Nachteil, dass sich die Eigenschaften der erzeugten Einzelphotonen durch die Quelle festgelegt sind. Da Quellen sehr anfällig auf äußere Einflüsse wie Alterung, Strahlungseinflüsse, Temperaturschwankungen oder mechanische Einwirkungen reagieren, ändern sich die Eigenschaften der erzeugten Einzelphotonen im Laufe der Zeit. Eine Langzeitstabilität, beispielsweise in Bezug auf die Wellenlängen der Einzelphotonen, kann in derartigen Systemen nicht gewährleistet werden. Einzelphotonen sind insbesondere für Quantenkryptographie, Quanteninformatik oder optischer Kommunikation von großer Bedeutung, wobei hier die Ununterscheidbarkeit der erzeugten Einzelphotonen essentiell ist. Weiter können Einzelphotonen auch für Quantenspeicher genutzt werden, wobei der Nachteil bekannter Quellen für Einzelphotonen darin besteht, dass die erzeugten Einzelphotonen nicht präzise auf der Wellenlänge des Quantenspeichers operieren und damit nur ein geringer Wirkungsgrad bei der Kopplung des Einzelphotons mit dem Quantenspeicher erreicht werden kann.
Aus „Space-compatible cavity-enhanced single-photon generation with hexagonal boron nitride“ arXiv:1902.03019 ist die Erzeugung eines Einzelphotons in einer Quelle und einem Resonator sowie die Messung eines derartigen Einzelphotons in einem Wellenlängennormal bekannt.
Aus W. Demtröder, Laserspektroskopie, Springer Berlin Heidelberg, 1993 ist eine Wellenlängenstabilisierung eines Lasers durch die Aufspaltung des Laserstrahls und der Vergleich mit einer Wellenlängen-Referenz bekannt.
Aus der DE 10 2012 007 793 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung von Einzelphotonen in einem Quantenpunkt bekannt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes, präziseres, kostengünstigeres und über einen langen Zeitraum stabileres Verfahren und eine derartige Vorrichtung zur Erzeugung von Einzelphotonen bereitzustellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Erzeugung von Einzelphotonen nach den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Erzeugung von Einzelphotonen mit einer vorbestimmten Wellenlänge fv vorgeschlagen, vorzugsweise zur Verwendung für optische Kommunikation, Quantenkryptographie und/oder Quanteninformatik, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

i) Erzeugen eines Einzelphotons, in einer Quelle und einem Resonator, wobei das Einzelphoton eine Resonator-Wellenlänge f_R und eine Resonator-Bandbreite f_BR aufweist,
ii) Messen der Resonator-Wellenlänge f_R, vorzugsweise in einem Wellenlängennormal, wobei das Einzelphoton über eine Strahlführung vom Resonator zum Wellenlängennormal geführt wird. Wesentlich dabei sind die Schritte
iii) Vergleichen der Resonator-Wellenlänge f_R mit der vorbestimmten Wellenlänge fv und Generieren eines Steuersignals anhand des Vergleichs, vorzugsweise in einem Regler,
iv) Einstellen des Resonators durch das Steuersignal, um die Resonator-Wellenlänge f_R in Richtung oder auf die vorbestimmte Wellenlänge fv zu ändern, v) Wiederholen der Schritte i bis iv) bis die Resonator-Wellenlänge f_R der vorbestimmten Wellenlänge fv entspricht und anschließendes Auskoppeln in einen Ausgang, vorzugsweise durch die Strahlführung, eines Einzelphotons mit vorbestimmter Wellenlänge fv, und dass die vorbestimmte Wellenlänge fv eine der Fraunhofer-Linien ist.

Weiter wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Erzeugung von Einzelphotonen mit einer vorbestimmten Wellenlänge fv nach den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Erzeugung von Einzelphotonen mit einer vorbestimmten Wellenlänge fv vorgeschlagen, vorzugsweise zur Verwendung für optische Kommunikation, Quantenkryptographie und/oder Quanteninformatik, wobei die Vorrichtung eine Quelle, einen Resonator, eine Strahlführung und ein Wellenlängennormal aufweist, und wobei die Quelle und der Resonator Einzelphotonen mit einer Resonator-Wellenlänge f_R und einer Resonator-Bandbreite f_BR erzeugen, und wobei die Strahlführung das Einzelphoton vom Resonator zum Wellenlängennormal oder zu einem Ausgang führt, und wobei das Wellenlängennormal die Wellenlänge des Einzelphotons misst. Wesentlich dabei ist, dass die Vorrichtung einen Regler aufweist, und dass die Vorrichtung einen Regelkreis zum Regeln der Resonator-Wellenlänge f_R auf die vorbestimmte Wellenlänge fv aufweist, wobei der Regelkreis aus dem Resonator als Stellmittel, dem Wellenlängennormal als Messeinrichtung und dem Regler zum Steuern des Resonators ausgebildet ist, und dass die vorbestimmte Wellenlänge fv eine der Fraunhofer-Linien ist.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, dass durch die Kombination der Quelle mit dem Resonator und der Regelung durch den Regelkreis über einen langen Zeitraum Einzelphotonen mit exakt der gewünschten vorbestimmten Wellenlänge fv erzeugt werden können. Durch die Regelung können Umweltschwankungen wie beispielsweise Temperaturschwankungen oder Strahlungseinflüsse beispielsweise im Weltraum und auch Materialänderung oder -ermüdung der Bauteile ausgeglichen werden. Ebenso kann die Qualität der Quelle hinsichtlich der Effizienz und Stabilität verbessert werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung wird eine robuste und konstant qualitativ hochwertige Erzeugung von Einzelphotonen mit der gewünschten vorbestimmten Wellenlänge fv garantiert.
Eine konstante Wellenlänge bei der Erzeugung von Einzelphotonen ist unter anderem für optische Kommunikation und Quantenkryptographie von großer Bedeutung, da bei derartigen Anwendungen die Ununterscheidbarkeit der Einzelphotonen wichtig ist und beispielsweise Einzelphoton-Quellen auf Satelliten nicht gewartet werden können. Eine präzise Einstellbarkeit der Wellenlänge der Einzelphotonen auf die gewünschte vorbestimmte Wellenlänge fv ist von großem Vorteil, da beispielsweise bei der Anwendung bei optischer Kommunikation und Quantenkryptographie oder beim Quantenschlüsselaustausch (Quantum Key Distribution QKD) die vorbestimmte Wellenlänge fv derart gewählt wird, dass ein besonders hoher Kontrast gegenüber dem Tageslicht erreicht wird. Dies ermöglicht eine optische Kommunikation mit Einzelphotonen auch bei Tageslicht.
Beispielsweise bei dem Verfahren des Quantenschlüsselaustauschs, auch Quantum Key Distribution (QKD) genannt, welches ein Teilgebiet der Quantenkryptographie darstellt, wird durch den Austausch von Einzelphotonen ein sicherer Schlüssel zwischen zwei Parteien erzeugt. Dieser Schlüssel kann genutzt werden, um anschließend eine Nachricht zu verschlüsseln und anschließend wieder zu entschlüsseln, beispielsweise durch das One-Time-Pad Verfahren (Einmalverschlüsselung). Im Gegensatz zu klassischen Verschlüsselungsverfahren basiert die Sicherheit der Erzeugung des Schlüssels bei dem Quantenschlüsselaustausch auf quantenmechanischen Effekten, welche eine unerlaubte Messung oder Manipulation erkennen. Dadurch kann der erzeugte Schlüssel als sicher eingestuft werden oder als nicht sicher eingestuft werden falls eine Manipulation erkannt wird.
Die präzise Einstellbarkeit der Wellenlänge der Einzelphotonen auf die gewünschte vorbestimmte Wellenlänge fv ist weiter von großem Vorteil bei Quantenspeichern. Quantenspeicher können in Quantennetzwerken als Baustein für einen Quanten-Repeater dienen, in Quantencomputern als Qubit-Buffer (Synchronisation mehrerer photonischer Qubits bzw. Einzelphotonenquellen) oder als eine Art Quanten-RAM. Zu den häufig genutzten Ansätzen für einen Quantenspeicher zählen warme/kalte Alkali-Gase oder dotierte Festkörperkristalle. Die Speicherung erfolgt dabei in einem bestimmten Übergang zwischen zwei Zuständen. Dies beschränkt die Wellenlänge zur Kopplung allerdings auf diesen Übergang. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die Wellenlängen exakt auf die benötigte Wellenlänge eingestellt werden, wodurch die Kopplung der erfindungsgemäß erzeugten Einzelphotonen mit dem Quantenspeicher mit einem sehr hohen Wirkungsgrad erfolgt.
Es kann vorgesehen sein, dass die Schritte i) bis iv) oder der Schritt v) eine Regelung bei bzw. während der Erzeugung von Einzelphotonen mit der vorbestimmten Wellenlänge fv bilden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Wellenlänge des Einzelphotons, vorzugsweise in Schritt i), einer Regelgröße entspricht, und/oder
dass die gemessenen Resonator-Wellenlänge f_R, vorzugsweise in Schritt ii), einem Istwert entspricht, und/oder
dass die vorbestimmte Wellenlänge fv einem Sollwert entspricht.
Es kann vorgesehen sein, dass der Regler in Schritt iii) den Istwert und den Sollwert vergleicht und dass der Regler anhand des Vergleichs das Steuersignal ermittelt und/oder generiert.
Es kann vorgesehen sein, dass die Regelung

a) die Messung der Resonator-Wellenlänge f_R, vorzugsweise im Wellenlängennormal als Messeinrichtung, vorzugsweise in Schritt ii),
b) den Vergleich der Wellenlängen und der Erzeugung des Steuersignals, vorzugsweise im Regler, vorzugsweise in Schritt iii), und
c) die Einstellung des Resonators durch das Steuersignal, vorzugsweise mit dem Resonator als Stellmittel, vorzugsweise in Schritt iv), umfasst.

Stellmittel bezeichnet dabei insbesondere denjenigen Teil des Regelkreises, der die zu regelnde physikalische Größe enthält, auf die der Regler über das Steuersignal einwirkt. Das Steuersignal kann dabei beispielsweise ein elektrisches Signal sein, dessen Größe proportional zu der gemessenen Abweichung von der vorbestimmten Wellenlänge fv ist. Es ist auch möglich, dass das Steuersignal ein elektrisches Signal ist, welches die Richtung angibt, in welche die Änderung erfolgt, um zur vorbestimmten Wellenlänge fv zu gelangen. Die physikalische Größe kann abhängig vom Resonator beispielsweise der Abstand der Spiegel sein, um auf die Resonator-Wellenlänge f_R einzuwirken.
Vorzugsweise kann die physikalische Größe der Brechungsindex und/oder die Zusammensetzung eines Materials zwischen den Spiegeln sein. Vorzugsweise kann auf das Stellmittel chemisch, und/oder thermisch, und/oder elektrisch, und/oder mechanisch und/oder optisch eingewirkt werden, um die Resonator-Wellenlänge f_R einzustellen.
Vorzugsweise wird die Regelung durchgeführt, bis für die erzeugten Einzelphotonen in Schritt i) gilt, dass die Resonator-Wellenlänge f_R der vorbestimmten Wellenlänge fv entspricht, oder innerhalb einer vorbestimmten Abweichung von der vorbestimmten Wellenlänge liegt, bzw. der Betrag der Differenz zwischen der gemessenen Resonator-Wellenlänge f_R und der vorbestimmten Wellenlänge fv unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts liegt.
Es kann vorgesehen sein, dass der Regler in der Vorrichtung und/oder in Schritt iii) als ein stetiger Regler ausgebildet ist. Der Regler kann vorzugweise als ein Proportional-Regler (P-Regler), oder als ein Proportional-Integral-Regler (PI-Regler), oder als ein Proportional-Differenzial-Regler (PD-Regler), oder als ein Proportional-Integral-Differenzial-Regler (PID-Regler) ausgebildet sein.
Es kann vorgesehen sein, dass in Schritt iii) im Regler ein proportionales, oder ein proportional-integrales, oder ein proportional-differentiales, oder ein proportional-integral-differentiales Steuersignal erzeugt wird, vorzugsweise erzeugt wird in Abhängigkeit des Vergleichs der Resonator-Wellenlänge f_R mit der vorbestimmten Wellenlänge fv.
Es kann vorgesehen sein, dass der Regler in der Vorrichtung und/oder in Schritt iii) als ein unstetiger Regler ausgebildet ist. Der Regler kann beispielsweise als ein Zweipunkt-Regler ausgebildet sein.
Es kann vorgesehen sein, dass der Regler in der Vorrichtung und/oder in Schritt iii) als ein diskreter, insbesondere zeitdiskreter Regler ausgebildet ist.
Es kann vorgesehen sein, dass der Regler, vorzugsweise in Schritt iii) als ein digitaler Regler, oder als eine analoge Schaltung ausgebildet ist.
Es kann vorgesehen sein, dass die Schritte i) bis iv) wiederholt werden, bis die Resonator-Wellenlänge f_R des erzeugten Einzelphotons in Schritt i) in einem Bereich von ±0,2 nm, vorzugsweise ±0,01 nm, höchst vorzugsweise ±0,001 nm um die vorbestimmte Wellenlänge fv liegt. Es kann vorgesehen sein, dass der Bereich von ±0,2 nm, vorzugsweise ±0,01 nm, höchst vorzugsweise ±0,001 nm um die vorbestimmte Wellenlänge fv eine Regelschwelle darstellt.
Nachdem der Resonator auf die vorbestimmte Wellenlänge fv eingeregelt ist, kann der Regelkreis zumindest zeitweilig bzw. periodisch, deaktiviert werden, um die erzeugten Photonen für optische Kommunikation und/oder Quantenkryptographie und/oder Quanteninformatik zu verwenden. Während dem deaktivierten Regelkreis erzeugt die Quelle bzw. der Resonator Photonen mit der vorbestimmten Wellenlänge f_v. Es kann jedoch vorkommen, dass sich die Wellenlänge des Resonators aufgrund von äußeren Einflüssen und/oder mit der Zeit ändert. Um die Wellenlänge der generierten Photonen zu überprüfen, kann der Regelkreis periodisch wieder für eine bestimmte Zeit eingeschaltet werden, insbesondere um den Resonator wieder auf die vorbestimmten Wellenlänge fv einzuregeln.
Es kann vorgesehen sein, dass der Regelkreis dauerhaft aktiv ist, wobei dafür vorzugsweise der Resonator Einzelphotonen in eine erste Richtung zum Wellenlängennormal auskoppelt und zur Regelung benutzt und Einzelphotonen in eine zweite Richtung zum Ausgang auskoppelt. Es kann vorgesehen sein, dass die Resonator-Wände als teildurchlässige Spiegel ausgebildet sind, wobei die Durchlässigkeit die Wahrscheinlichkeit der Auskopplung eines Einzelphotons in die erste und/oder zweite Richtung bestimmt. Vorzugsweise ist die Wahrscheinlichkeit zur Auskopplung in Richtung des Wellenlängennormals kleiner als die Wahrscheinlichkeit zur Auskopplung in Richtung des Ausgangs.
Es kann vorgesehen sein, dass der Regelkreis dauerhaft aktiv ist, wobei dafür der Resonator als Strahlteiler fungiert und zwischen einer und/oder mehreren Moden zum Auskoppeln und einer und/oder mehreren Moden für den Regelkreis separiert.
Es kann vorgesehen sein, dass die Regelung nach der ersten Erzeugung eines Einzelphotons mit vorbestimmter Wellenlänge fv mit einer Frequenz von 1 bis 10 Hz, vorzugsweise 10 bis 1 kHz, höchst vorzugsweise 1 kHz bis 100 kHz wiederholt wird. Für die Regelung kann dabei ein einzelnes Photon genutzt werden, um ein Regelsignal zu bestimmen. Sofern die Resonator-Wellenlänge f_R von der vorbestimmten Wellenlänge fv um mehr als eine vorbestimmte Regelschwelle abweicht, können mehrere aufeinanderfolgende Photonen für die Regelung benutzt werden. Insbesondere so lange, bis die Resonator-Wellenlänge f_R der vorbestimmten Wellenlänge fv entspricht, oder innerhalb einer vorbestimmten Abweichung von der vorbestimmten Wellenlänge liegt, bzw. der Betrag der Differenz zwischen der gemessenen Resonator-Wellenlänge f_R und der vorbestimmten Wellenlänge fv unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts liegt, wobei vorzugsweise Störungen wie beispielsweise Darkcounts beachtet werden.
Es kann zudem vorgesehen sein, dass die Regelung abhängig von der Frequenz der Erzeugung der Einzelphotonen in einem vorbestimmten Tastverhältnis erfolgt. Insbesondere kann ein bestimmtes Tastverhältnis vorgegeben werden, insbesondere im Bereich vom 1:10 bis 1:10000, vorzugsweise bis 1:100000. Beispielsweise kann nur jedes zehnte Einzelphoton, oder nur jedes fünfzigste Einzelphoton, oder nur jedes hundertste Einzelphoton oder nur jedes tausendste Einzelphoton für eine Bestimmung des Regelsignales verwendet werden.
Vorzugsweise kann die Wiederholung der Regelung auf die äußeren Einflüsse oder auf die gemessenen Abweichungen von der vorbestimmten Wellenlänge fv abgestimmt werden, vorzugsweise indem Parameter wie beispielsweise Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Strahlungseinflüsse, Druck, Vibration und Zeit gemessen werden und als Messgrößen dem Regelkreis zugeführt werden, insbesondere, um die Frequenz oder das Tastverhältnis der Regelung einzustellen. Insbesondere kann die Wiederholung der Regelung derart eingestellt werden, dass bei erwarteten oder gemessenen starken Änderungen der Resonator-Wellenlänge f_R die Frequenz der Regelung erhöht wird.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die vorbestimmte Wellenlänge fv eine der Fraunhofer-Linien ist. Fraunhofer-Linien sind Absorptionslinien im Spektrum der Sonne, welche durch die Transmission des Sonnenlichts durch die Atmosphäre der Sonne entstehen. Durch die vorbestimmte Wellenlänge fv als Fraunhofer-Linien wird eine Reduktion der Fehlerrate bei der Quantenkryptographie oder der optischen Kommunikation durch Fremdphotonen erreicht, wodurch eine hohe Datenrate auch bei Tageslicht oder bei Vollmond ermöglicht wird.
Vorzugsweise ist die vorbestimmte Wellenlänge fv eine der Fraunhofer-Linien von 898,765 nm, oder 822,696 nm, oder 759,37 nm, oder 686,719 nm, oder 656,281 nm, oder 627,661 nm, oder 589,592 nm, oder 588,995 nm, oder 587,562 nm, oder 546,073 nm, oder 527,039 nm, oder 518,362 nm, oder 517,27 nm, oder 516,891 nm, oder 516,751 nm, oder 516,733 nm, oder 495,761 nm, oder 486,134 nm, oder 466,814 nm, oder 438,355 nm, oder 434,047 nm, oder 430,79 nm, oder 430,774 nm, oder 410,175 nm, oder 396,847 nm, oder 393,368 nm, oder 382,044 nm, oder 358,121 nm, oder 336,112 nm, oder 302,108 nm, oder 299,444 nm.
Für Anwendungen in der Quanteninformatik, Quantenkommunikation oder der Quanteninformationsverarbeitung, beziehungsweise bei der Kopplung an einen Quantenspeicher, ist die vorbestimmte Wellenlänge fv vorzugsweise eine der atomaren Übergänge von Rubidium (780,027 nm oder 794,760 nm), oder Cäsium (852,113 nm, oder 894,347 nm), oder Natrium (588,995 nm, oder 589,592).
Es kann vorgesehen sein, dass die vorbestimmte Wellenlänge fv einem Übergang zwischen zwei Zuständen eines Quantenspeichers entspricht. Es kann vorgesehen sein, dass dieser Übergang eine Defektstelle in einem FestkörperKristall ist.
Es kann vorgesehen sein, dass das Einzelphoton mit der vorbestimmten Wellenlänge fv, vorzugsweise in Schritt v), die Resonator-Bandbreite f_BR von maximal 0,5 nm, vorzugsweise von maximal 0,1 nm, höchst vorzugsweise von maximal 0,01 nm aufweist. Vorzugsweise ist vorgesehen sein, dass die Resonator-Bandbreite f_BR durch die maximale Breite der Fraunhofer-Linie begrenzt ist. Beispielsweise liegt die Breite der Fraunhofer-Linie von 434 nm bei 0,286 nm, von 589 nm bei 0,075 nm, oder von 589 nm bei 0,056 nm, oder von 656 nm bei 0,4 nm oder von 854 nm bei 0,36 nm. Der Vorteil einer kleinen Bandbreite, welche sogar noch unterhalb der Bandbreite der entsprechenden Fraunhofer-Linie liegt, ermöglicht ein Wellenlängenmultiplexing innerhalb der Fraunhofer-Linie für eine optische Kommunikation oder Quantenkryptographie zwischen mehreren Beteiligten oder zwischen zwei Beteiligten mit höherer Datenrate.
Es kann vorgesehen sein, dass das Einzelphoton in Schritt i) durch spontane Emission oder spontane parametrische Konversion erzeugt wird, vorzugsweise dass das Einzelphoton in der Quelle durch Anregung eines Festkörperkristalls oder eines nicht-linearen Kristalls oder Heterostruktur oder einer zweidimensionalen Struktur, vorzugsweise durch Anregung mit einem Pumpsignal erzeugt wird.
Es kann vorgesehen sein, dass das Pumpsignal ein elektrisches Pumpsignal, höchst vorzugsweise ein elektrisches Puls-Pumpsignal, oder vorzugsweise ein Pump-Laser-Strahl, vorzugsweise ein gepulster Pump-Laser-Strahl ist.
Es kann vorgesehen sein, dass die Quelle eine elektrische Schaltung und/oder einen Pump-Laser für das Pumpsignal und einen Festkörperkristall oder einen nicht-linearen Kristall, oder eine Heterostruktur oder eine zweidimensionale Struktur aufweist.
Es kann vorgesehen sein, dass die elektrische Schaltung und/oder der Pump-Laser den Festkörperkristall oder den nicht-linearen Kristall oder die Heterostruktur oder die zweidimensionale Struktur zur Emission angeregt.
Es kann vorgesehen sein, dass die Lebensdauer des zur Emission angeregten Zustands in der Quelle, vorzugsweise in der Quelle ohne den Resonator, im Bereich von 10 ns bis 1 ns, vorzugsweise im Bereich von 1 ns bis 0,1 ns, höchst vorzugsweise im Bereich von 0,1 ns bis 0,01 ns liegt.
Es kann vorgesehen sein, dass der gepulste Pump-Laser die Quelle mit einer Frequenz im Bereich von 1 MHz bis 100 MHz, vorzugsweise im Bereich von 100 MHz bis 1 GHz, höchst vorzugsweise im Bereich von 1 GHz bis 100 GHz anregt. Vorzugsweise ist die Frequenz nur durch die maximale Lebensdauer der Emission begrenzt. Der Vorteil einer hohen Frequenz ist die Anzahl der erzeugten Einzelphotonen, wobei auf die Auflösung der Detektoren und die Verluste bei der Verwendung für Quantenkryptographie oder der optischen Kommunikation geachtet werden muss.
Es kann vorgesehen sein, dass in der Quelle, vorzugsweise in Schritt i), ein Einzelphoton durch heralded parametrische Fluoreszenz (heralded spontaneous parametric down-conversion hSPDC) erzeugt wird. Es kann vorgesehen sein, dass die Quelle einen Pump-Laser, vorzugsweise einem gepulsten Pump-Laser, und einen nicht-linearen Kristall aufweist. Durch das Pumpen des nicht-linearen Kristalls kann durch parametrische Fluoreszenz ein Photonenpaar erzeugt werden. Heralded beschreibt dabei den Prozess, dass ein Photonenpaar erzeugt wird und die Messung des ersten Photons die Erzeugung des zweiten Photons bestätigt (herald) ohne die Erzeugung des zweiten Photons durch eine Messung des zweiten Photons zu stören.
Es kann vorgesehen sein, dass in der Quelle, vorzugsweise in Schritt i), durch Emission in einem Halbleiter-Quantenpunkt ein Einzelphoton erzeugt wird. Es kann vorgesehen sein, dass die Quelle als ein Halbleiter-Quantenpunkt ausgebildet ist.
Es kann vorgesehen sein, dass in der Quelle, vorzugsweise in Schritt i), durch Emission in einer lonenfalle ein Einzelphoton erzeugt wird. Es kann vorgesehen sein, dass die Quelle als eine lonenfalle ausgebildet ist.
Es kann vorgesehen sein, dass in der Quelle, vorzugsweise in Schritt i), durch Emission in einem Festkörper mit Defekten ein Einzelphoton erzeugt wird. Es kann vorgesehen sein, dass die Quelle als ein Festkörper mit Defekten ausgebildet ist.
Es kann vorgesehen sein, dass die Einzelphotonen in Schritt i) durch Anregung einer zweidimensionalen hexagonal-Bornitrit-Struktur mit Störstellen mit einem gepulsten Laser erzeugt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Quelle als eine hexagonal-Bornitrit-Struktur mit Störstellen ausgebildet ist. Der Vorteil der zweidimensionalen hexagonal-Bornitrit-Struktur mit Störstellen liegt darin, dass die erzeugten Einzelphotonen einstellbar eine Wellenlänge im Bereich zwischen 300 nm und 1000 nm mit einer Brandbreite von ca. 5 nm aufweisen, wobei die Einstellbarkeit durch die Wahl einer bestimmten Störstellen mit den gewünschten Eigenschaften gegeben ist. Ein Vorteil derartiger Quellen ist die hohe Widerstandsfähigkeit gegen Strahlung, beispielsweise im Weltraum, und die lange Betriebs-Lebensdauer derartiger Quellen.
Es kann vorgesehen sein, dass in Schritt i)

d) die Quelle durch den Resonator zur Emission des Einzelphotons mit einer Resonator-Wellenlänge f_R und einer Resonator-Bandbreite f_BR angeregt wird, wobei vorzugsweise die Quelle ohne Resonator eine Quellen-Bandbreite f_QR aufweist, welche größer ist als die Resonator-Bandbreite f_BR, oder
e) die Quelle ein Einzelphoton mit einer Quellen-Wellenlänge f_Q und einer Quellen-Bandbreite f_BQ erzeugt und der Resonator daraus ein Einzelphoton filtert, welches die Resonator-Wellenlänge f_R und die Resonator-Bandbreite f_BR aufweist, wobei die vorbestimmte Wellenlänge fv und die Resonator-Wellenlänge f_R im Bereich der Quellen-Bandbreite f_BQ enthalten sind.

Es kann vorgesehen sein, dass in Fall d) die Quelle im Resonator angeordnet, oder dass im Fall e) die Quelle außerhalb des Resonators angeordnet ist.
Es kann vorgesehen sein, dass in Fall d) die Quelle ohne Resonator eine Quellen-Bandbreite f_QR aufweist, welche größer ist als die Resonator-Bandbreite f_BR, und in der Quelle durch die Anordnung im Resonator nur eine Emission des Einzelphotons mit einer Resonator-Wellenlänge f_R und einer Resonator-Bandbreite f_BR möglich ist.
Der Vorteil einer Anordnung der Quelle im Resonator liegt drain, dass durch den Resonator die Wahrscheinlichkeit einer spontanen Emission der Einzelphotonen in der Quelle mit der Resonator-Wellenlänge f_R und mit der Resonator-Bandbreite f_BR erhöht wird. Dabei sinkt die Linienbreite der Emission durch die Kopplung der Quelle mit dem Resonator auf Resonator-Wellenlänge f_R. Weiter reduziert der Resonator durch die Kopplung die Lebensdauer des angeregten Zustands und erhöht damit die Emissionsrate der Einzelphotonen mit der Resonator-Wellenlänge f_R. Der Vorteil einer Anordnung der Quelle außerhalb des Resonators liegt in der einfachen Anordnung und Ausbildung der Quelle und des Resonators.
Es kann vorgesehen sein, dass die Quelle im Resonator im Fokuspunkt des Resonators angeordnet ist.
Es kann vorgesehen sein, dass in Schritt iv) der Resonator chemisch, thermisch, elektrisch, mechanisch und/oder optisch geregelt wird und/oder regelbar ausgebildet ist. Vorzugsweise wird durch die chemische, thermische, elektrische, mechanische und/oder optische Regelung der Abstand der Resonator-Wände geändert und/oder der Brechungsindex eines Materials im Resonator geändert.
Es kann vorgesehen sein, dass das Steuersignal ein elektrisches Signal ist, welches die Regelung des Resonators bewirkt.
Es kann vorgesehen sein, dass der Resonator mechanisch und/oder elektrisch durch einen Piezomotor oder ein Piezosteller oder ein piezoelektrisches Signal eingestellt wird und/oder einstellbar ausgebildet ist. Es kann vorgesehen sein, dass der Piezomotor den Abstand der Resonator-Wände ändert. Es kann vorgesehen sein, dass das piezoelektrische Signal die Längenänderung eines Materials im Resonator bewirkt, um die Abstände der Resonator-Wände zu ändern.
Es kann vorgesehen sein, dass der Resonator optisch und/oder elektrisch durch einen elektro-optischen Modulator geregelt wird und/oder regelbar ausgebildet ist. Es kann vorgesehen sein, dass der elektro-optische Modulator den Brechungsindex eines Materials im Resonator ändert.
Es kann vorgesehen sein, dass der Resonator chemisch und/oder thermisch geregelt wird, indem der Brechungsindex eines Gases oder Materials im Resonator geändert wird.
Vorzugsweise wird durch den Piezomotor als eine mechanische Regelung oder das piezoelektrische Signal als eine elektrische Regelung der Resonator eingestellt.
Es kann vorgesehen sein, dass der Resonator in konstanten Schritten oder kontinuierlich anhand der Größe des Steuersignals eingestellt wird. Es kann vorgesehen sein das die Auflösung der Einstellung der Resonator-Wellenlänge f_R mindestens 0,1 nm, vorzugsweise 0,01 nm, höchst vorzugsweise 0,001 nm beträgt. Für Multiplexing wird eine Resonator-Wellenlänge f_R von 0,001 nm oder geringer bevorzugt.
Es kann vorgesehen sein, dass der Resonator ein optischer Resonator ist, vorzugsweise der Resonator als eine optische Kavität oder ein Hohlraumresonator ausgebildet ist. Vorzugsweise wird durch den Resonator ein Einzelphoton mit der Resonator-Bandbreite f_BR von 0,1 nm, vorzugsweise 0,01 nm, höchst vorzugsweise 0,001 nm ausgebildet.
Vorzugsweise ist die Resonator-Bandbreite f_BR kleiner oder gleich einer Zielwellenlänge-Bandbreite, wobei die Zielwellenlänge-Bandbreite bestimmt wird durch eine Zielwellenlänge, also die Wellenlänge zur optischen Kommunikation, Quantenkryptographie und/oder Quanteninformatik, d.h. beispielsweise ist die Zielwellenlänge einer der Fraunhofer-Linien und die Zielwellenlänge-Bandbreite die Breite dieser Fraunhofer-Linie.
Vorzugsweise ist die Resonator-Bandbreite f_BR kleiner als die Zielwellenlänge-Bandbreite, vorzugsweise maximal die halbe Zielwellenlänge-Bandbreite, höchst vorzugsweise entspricht die Zielwellenlänge-Bandbreite einem Vielfachen der Resonator-Bandbreite f_BR. Der Vorteil eines derart schmalbandigen Einzelphotons liegt darin, dass mehrere Systeme zum Erzeugen der Einzelphotonen miteinander kombiniert werden können, welche Einzelphotonen mit unterschiedlichen Wellenlängen erzeugen, die aber beispielsweise alle in einer bestimmten Fraunhofer-Linie liegen. Damit ist es möglich, innerhalb der Fraunhofer-Linien ein Wellenlängen-Multiplexing durchzuführen.
Es kann vorgesehen sein, vorzugsweise in Schritt i), dass der Resonator photonisch und/oder mechanisch mit der Quelle gekoppelt ist. Durch die photonische Kopplung des Resonators mit der Quelle wird die Wellenlänge und die Bandbreite des Einzelphotons auf die Resonator-Wellenlänge f_R und die Resonator-Bandbreite f_BR eingestellt. Vorzugsweise wird durch die photonische Kopplung die Lebensdauer der spontanen Emission in der Quelle reduziert. Durch die mechanische Kopplung des Resonators mit der Quelle ist die Quelle fest am oder im Resonator ausgebildet.
Es kann vorgesehen sein, dass der Resonator aus zwei Resonator-Wänden, vorzugsweise hoch-reflektierenden Resonator-Wänden, ausgebildet ist. Es kann vorgesehen sein, dass bei dem Resonator aus zwei Resonator-Wänden die Resonator-Wände beweglich zueinander ausgebildet sind, um die Resonator-Bandbreite f_BR einzustellen, und/oder dass ein Material oder Gas zwischen den Resonator-Wänden ausgebildet ist, um den Brechungsindex zwischen den Resonator-Wände zu ändern, um die Resonator-Bandbreite f_BR einzustellen.
Es kann vorgesehen sein, dass der Resonator als eine plasmonische Nanokavität ausgebildet ist, wobei vorzugsweise die plasmonische Nanokavität durch eine Kopplung zweier Nanostrukturen mit einem Sub-Nanometer Abstand erzeugt wird oder wobei die plasmonische Nanokavität durch eine Gravur von Nanolöchern in dünne metallische Filme erzeugt wird. Plasmonen beschreiben dabei gekoppelte Schwingungen im Fermigas von Metallen und Photonen. Es kann vorgesehen sein, dass der Resonator aus photonischen Kristallen ausgebildet ist. Ein photonischer Kristall weist periodische Strukturen auf, vorzugsweise periodisch geätzte Strukturen. Vorzugsweise wird der photonische Kristall durch eine Struktur mit abwechselnden hohem und niedrigem Brechungsindiz ausgebildet.
Es kann vorgesehen sein, dass der Resonator als ein Ring-Resonator ausgebildet ist, wobei der Ring-Resonator aus einem Wellenleiter besteht und das Einzelphoton in diese evaneszent ein- und auskoppeln kann.
Es kann vorgesehen sein, dass der Resonator aus mehreren optisch aktiven Nanopartikeln aus Halbleitern oder Dielektrika besteht. Es kann vorgesehen sein, dass der Resonator aus optischen Mikro- oder Nanostrukturen besteht.
Es kann vorgesehen sein, dass der Resonator ein oder mehrere optische Elemente und/oder ein oder mehrere optische Strukturen aufweist, um die Richtung, Ausbreitung, transversale und/oder longitudinale Mode und/oder Fokussierung der Photonen zu beeinflussen. Vorzugsweise sind die ein oder mehreren optischen Elemente und/oder ein oder mehreren optischen Strukturen im Innern des Resonators und/oder an der Außenseite des Resonators ausgebildet oder angeordnet, um sowohl die Ausbreitung, die Mode und/oder die Fokussierung im Resonator als auch beim Auskoppeln des Einzelphotons aus dem Resonator zu beeinflussen. Vorzugsweise besteht der Unterschied der optischen Elemente und optischen Strukturen darin, dass die optischen Elemente als zusätzliche Elemente im Resonator angeordnet sind und die optischen Strukturen durch den Resonator selber gebildet werden, vorzugsweise durch die Resonator-Wände und/oder ein Material im Resonator zur Änderung des Brechungsindexes zur Regelung des Resonators.
Es kann vorgesehen sein, dass die ein oder mehreren optischen Elemente und/oder ein oder mehreren optischen Strukturen als Linsen oder Linsensysteme ausgebildet sind oder als Gitter, vorzugsweise als Auskoppeloptik ausgebildet sind.
Es kann vorgesehen sein, dass der Resonator als konfokaler Resonator oder als Resonator mit einem planaren und einem konkaven Spiegel ausgebildet ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltungen liegt darin, dass eine Quelle im Resonator im Fokus des Resonators angeordnet sein kann.
Es kann vorgesehen sein, dass eine oder beide Resonator-Wände durchsichtig für den Pump-Laser ausgebildet sind. Vorzugsweise für Quellen im Resonator, dass durch die ein oder mehreren optischen Elemente oder ein oder mehreren optischen Strukturen der Pump-Laser auf die Quelle fokussiert wird.
Es kann vorgesehen sein, dass die Resonator-Wände aus einem optischen Vielschichtsystem ausgebildet sind. Vorzugsweise unterscheiden sich in den Schichten die Brechungsindexe, um eine Antireflexwirkung oder eine Spiegelwirkung für den Pump-Laser und/oder dem Einzelphoton zu erzielen.
Es kann vorgesehen sein, dass zwischen den Resonator-Wänden ein Material ausgebildet ist, vorzugsweise um den Brechungsindex im Resonator zu ändern, und/oder um den Abstand der Resonator-Wände zu ändern. Vorzugsweise weist das Material eine Aufnahme für die Quelle auf, um die Quelle nicht zu berühren. Vorzugsweise ist das Material chemisch, thermisch, elektrisch, mechanisch und/oder optisch regelbar, um den Resonator einzustellen. Vorzugsweise ist das Material ein Polymer, höchst vorzugsweise ein Polymer auf Siliziumbasis, beispielsweise Polydimethylsiloxan (PDMS).
Es kann vorgesehen sein, dass der Resonator aus halbleiter-, dielektrischen- und/oder metallischen Materialien besteht.
Es kann vorgesehen ein, dass durch die Kopplung der Quelle mit dem Resonator die Emission des angeregten Zustands um einen Faktor 2, vorzugsweise um einen Faktor 10, höchst vorzugsweise um einen Faktor 100 verbessert wird.
Es kann vorgesehen sein, dass die Messung in Schritt ii) durch ein dispersives Element oder durch einen Absorber erfolgt, vorzugsweise durch ein Gitter, und/oder ein Prisma und/oder einen oder mehrere spektrale Filter auf absorptiver oder reflektiver Basis und/oder einem chemischen Absorber und/oder einem Gas oder Dampf oder Plasma, vorzugsweise in einer Gaszelle.
Es kann vorgesehen sein, dass die Wellenlängennormale als Gitter, und/oder ein Prisma und/oder einen oder mehrere spektrale Filter auf absorptiver oder reflektiver Basis, und/oder einem chemischen Absorber und/oder einem Gas oder Dampf oder Plasma, vorzugsweise in einer Gaszelle ausgebildet ist.
Es kann vorgesehen sein, dass die Messung in Schritt ii) durch Spektroskopie oder durch Fourier-Transformation-Spektroskopie erfolgt, vorzugsweise in einem Spektroskop oder einem Fourier-Transformation-Spektroskop.
Es kann vorgesehen sein, dass die Auflösung der Messung in Schritt ii) mindestens 0,5 nm, vorzugsweise 0,01 nm, höchst vorzugsweise 0,001 nm beträgt. Es kann vorgesehen sein, dass die Auflösung der Messung in Schritt ii) mindestens der Zielwellenlänge-Bandbreite entspricht.
Es kann vorgesehen sein, dass für die Messung, vorzugsweise in Schritt ii), nach dem dispersiven Element ein Einzelphotondetektor angeordnet ist, um Einzelphotonen zu detektieren.
Es kann vorgesehen sein, dass der Einzelphotondetektor als eine Avalanche-Diode (Z-Diode mit Lawineneffekt), oder Avalanche-Photo-Diode ausgebildet ist.
Es kann vorgesehen sein, dass durch eine Absorption oder Reflexion des Einzelphotons im dispersiven Element die Resonator-Wellenlänge f_R auf die vorbestimmte Wellenlänge fv eingestellt wird, indem die Detektion am Einzelphotondetektor durch Einstellen des Resonators minimiert wird.
Es kann vorgesehen sein, dass durch eine Reflexion oder Transmission des Einzelphotons im dispersiven Element die Resonator-Wellenlänge f_R auf die vorbestimmte Wellenlänge fv eingestellt wird, indem die Detektion am Einzelphotondetektor durch Einstellen des Resonators maximiert wird.
Es kann vorgesehen sein, dass das dispersive Element und/oder der Einzelphotondetektor vor der Regelung kalibriert wird, indem der Resonator über einen Fluktuationsbereich durch das Steuersignal verstellt wird und das dispersive Element und/oder der Einzelphotondetektor vermessen werden.
Es kann vorgesehen sein, dass das Wellenlängennormal und der gepulste Pump-Laser zum Erzeugen der Einzelphotonen als Referenz miteinander synchronisiert sind, vorzugsweise durch ein Triggersignal.
Es kann vorgesehen sein, dass die Strahlführung umschaltbar ausgebildet ist, um in Schritt i) und ii) das Einzelphoton von der Quelle und dem Resonator zum Wellennormal zu führen und in Schritt v) das Einzelphoton von der Quelle und dem Resonator zu einem Ausgang zu führen, vorzugsweise das Einzelphoton mit der vorbestimmten Wellenlänge fv zu führen, höchst vorzugsweise das Einzelphoton zum Ausgang zu führen, wenn das zuvor gemessene Einzelphoton die vorbestimmte Wellenlänge fv aufgewiesen hat.
Es kann vorgesehen sein, dass die Strahlführung als ein aktives optisches Element ausgebildet ist, vorzugsweise als ein steuerbarer Spiegel, vorzugsweise als ein elektro-optischer-Modulator mit einem Polarisationselement, oder einem akustooptischen Modulator oder als ein Flüssigkristall ausgebildet ist. Vorzugsweise führt das Polarisationselement Einzelphotonen mit einer ersten Polarisation von der Quelle und den Resonator zum Wellenlängennormal, vorzugsweise durch Transmission, und Einzelphotonen mit einer zweiten Polarisation, beeinflusst durch den elektro-optischen-Modulator, von der Quelle und den Resonator zum Ausgang führt, vorzugsweise reflektiert. Vorzugsweise wird die Ausbreitungsrichtung des Einzelphotons im akustooptischen Modulator beeinflusst, wobei in einer ersten Schaltstellung das Einzelphoton auf einer ersten Bahn zum Wellenlängennormal geführt wird und in einer zweiten Schaltstellung das Einzelphoton auf einer zweiten Bahn zum Ausgang geführt wird. Es kann vorgesehen sein, dass das aktive optische Element durch eine Steuereinrichtung gesteuert wird, um zwischen einer Messung und dem Auskoppeln des Einzelphotons umzuschalten. Der Vorteil eines aktiven optischen Elements ist, dass die Regelung zu gewünschten Zeiten und mit einer gewünschten Dauer aktiv eingestellt werden kann, beispielsweise wenn die erzeugten Einzelphotonen gerade nicht für eine optische Kommunikation benötigt werden, oder bevor die optische Kommunikation erfolgt.
Es kann vorgesehen sein, dass die Strahlführung als ein passives optisches Element ausgebildet ist, vorzugsweise als Strahlteiler. Der Vorteil eines passiven optischen Elements ist die einfache und kostengünstige Ausführung und die kontinuierliche Regelung der Wellenlänge.
Es kann vorgesehen sein, dass der Strahlteiler als ein 99/1 Strahlteiler ausgebildet ist, d.h. dass im Durchschnitt nur jedes 100te Einzelphoton in Richtung des Wellenlängennormals geführt wird.
Weitere Ausführungen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und nachfolgend beschrieben. In den Figuren ist beispielhaft eine mögliche Ausgestaltung der Erfindung gezeigt. Diese Ausgestaltung dient der Erläuterung einer möglichen Umsetzung der Erfindung und soll nicht eingrenzend verstanden werden. Dabei zeigen:

1: Eine schematische Darstellung des Verfahrens und der Vorrichtung zur Erzeugung von Einzelphotonen mit einer vorbestimmten Wellenlänge fv;
2a: ein erstes Ausführungsbeispiel einer Anordnung der Quelle und des Resonators mit der Quelle im Resonator;
2b: ein zweites Ausführungsbeispiel einer Anordnung der Quelle und des Resonators mit der Quelle außerhalb des Resonators;
3a: ein erstes Ausführungsbeispiel des Wellenlängennormals mit der Gaszelle;
3b: ein zweites Ausführungsbeispiel des Wellenlängennormals mit dem Gitter;
4: Wellenlängen-Intensitätsdiagram mit der Quellen-Bandbreite f_BQ, der Resonator-Bandbreite f_RQ und der vorbestimmten Wellenlänge fv;
5: Transmissionsspektrum eines Gases im Wellenlängennormal.

1 zeigt eine schematische Darstellung des Verfahrens und der Vorrichtung 1 zur Erzeugung von Einzelphotonen 4 mit einer vorbestimmten Wellenlänge fv.
In dem Ausführungsbeispiel der 1 wird in einer Quelle 2 und einem Resonator 3 ein Einzelphoton 4 erzeugt. Das Einzelphoton 4 weist dabei eine Resonator-Wellenlänge f_R und eine Resonator-Bandbreite f_BR auf und wird anschließend aus dem Resonator 3 ausgekoppelt und über eine Strahlführung 5 zu einem Wellenlängennormal 6 geführt. Die Resonator-Wellenlänge f_R des Einzelphotons 4 wird im Wellenlängennormal 6 gemessen, welches ein elektrisches Signal 13 entsprechend der gemessenen Resonator-Wellenlänge f_R erzeugt. Im Regler 7 wird das elektrische Signal 13 mit der vorbestimmten Wellenlänge fv verglichen. Anhand des Vergleichs der Resonator-Wellenlänge f_R und der vorbestimmten Wellenlänge fv wird ein Steuersignal 9 generiert, welches genutzt wird, um den Resonator 3 in Richtung der vorbestimmten Wellenlänge fv, oder auf die vorbestimmte Wellenlänge fv zu ändern.
Die Erzeugung, Führung und Messung eines Einzelphotons 4 sowie die Erzeugung des Steuersignals 9 und die Einstellung der Resonator-Wellenlänge f_R wird erfindungsgemäß wiederholt bis die Resonator-Wellenlänge f_R der vorbestimmten Wellenlänge fv entspricht.
Im Ausführungsbeispiel der 1 ist die Quelle 2 im Resonator 3 angeordnet. Durch die photonische Kopplung des Resonators 3 mit der Quelle 2 wird die Wellenlänge und die Bandbreite des Einzelphotons 4 auf die Resonator-Wellenlänge f_R und die Resonator-Bandbreite f_BR eingestellt. Die photonische Kopplung reduziert dabei die Lebensdauer der spontanen Emission in der Quelle 2. Die Quelle 2 im Ausführungsbeispiel der 1 ist eine zweidimensionale hexagonal-Bornitrit-Struktur mit einer Störstelle, welche durch einen gepulsten Laser zur Erzeugung von Einzelphotonen 4 mit der Resonator-Bandbreite f_BR angeregt wird. Der Resonator 3 im Ausführungsbeispiel der 1 wird aus zwei hoch-reflektierenden Resonator-Wänden und einem Resonator-Material 14 zwischen den Resonator-Wänden gebildet. Die hohe Reflexion der Resonator-Wände wird durch ein Vielschichtsystem mit unterschiedlichen Brechungsindizes erzeugt. Im Ausführungsbeispiel der 1 kann durch ein elektrisches Signal, beispielsweise einem piezoelektrischen Signal als Steuersignal 9, der Abstand der Resonator-Wände geändert werden, indem das Steuersignal 9 auf das Resonator-Material 14 einwirkt und dadurch eine Längenänderung des Resonator-Materials 14 und somit auch die Änderung des Abstands der Resonator-Wände bewirkt.
Im Ausführungsbeispiel der 1 wird durch die passive Strahlführung 5 die Resonator-Wellenlänge f_R zufällig ausgewählter Einzelphotonen 4 im Wellenlängennormal 6 gemessen. Die passive Strahlführung 5 ist in diesem Ausführungsbeispiel als ein Strahlteiler ausgebildet. Diese gemessenen Einzelphotonen 4 werden zur Einstellung des Resonators 3 genutzt und die restlichen erzeugten Einzelphotonen 4 in Richtung des Ausgangs 8 ausgekoppelt. Der Strahlteiler ist so gewählt, dass beispielsweise im Durchschnitt nur jedes 1000ste Einzelphoton 4 in Richtung des Wellenlängennormals 6 geführt wird und die restlichen Einzelphotonen 4 in Richtung des Ausgangs 8 reflektiert werden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Regelung des Resonators 3 immer durchgeführt, wenn ein Einzelphoton 4 am Wellenlängennormal detektiert wird.
Das Ausführungsbeispiel der 1 kann auch als eine aktive Strahlführung 5 ausgebildet sein, um zuerst die Einstellung der Resonator-Wellenlänge f_R auf die vorbestimmte Wellenlänge fv durchgeführt. Nach der Einstellung des Resonators 3 auf die vorbestimmte Wellenlänge fv, kann die aktive Strahlführung 5 gezielt umgestellt werden, um die nachfolgend erzeugten Einzelphotonen 4 in Richtung des Ausgangs 8 zu führen. Die aktive Strahlführung 5 kann beispielsweise durch einen steuerbaren Spiegel, oder einen elektro-optischen-Modulator mit einem Polarisationselement oder einen akustooptischen Modulator oder als ein Flüssigkristall ausgebildet sein. Bei derartigen Ausführungen kann gezielt eingestellt werden, wann eine Kontrolle und eine Regelung des Resonators 3 durchgeführt wird.
2a und 2b zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele der Anordnung der Quelle 2 und des Resonators 3.
In der 2a ist, wie im Ausführungsbeispiel der 1, die Quelle 2 im Resonator 3 angeordnet, wodurch die Quelle 2 durch die Anordnung im Resonator 3 nur zu einer Emission von Einzelphotonen 4 mit einer Resonator-Wellenlänge f_R und einer Resonator-Bandbreite f_BR angeregt wird. Der Vorteil einer Anordnung der Quelle 2 im Resonator 3 liegt darin, dass durch den Resonator 3 eine spontane Emission der Einzelphotonen 4 in der Quelle 2 mit der Resonator-Wellenlänge f_R und mit der Resonator-Bandbreite f_BR erhöht wird. Dabei sinkt die Linienbreite der Emission durch die Koppelung der Quelle 2 mit dem Resonator 3 auf Resonator-Wellenlänge f_R. Weiter reduziert der Resonator 3 durch die Kopplung die Lebensdauer des angeregten Zustands und erhöht damit die Emissionsrate der Einzelphotonen 4 mit der Resonator-Wellenlänge f_R. Im Gegensatz zu einer Anordnung der Quelle 2 außerhalb des Resonators 3, werden hier die Einzelphotonen 4 nicht aus der Quellen-Bandbreite f_BQ ausgefiltert, sondern die Quelle 2 direkt zur Emission der Einzelphotonen 4 mit der Resonator-Bandbreite f_BR angeregt.
In der 2b ist die Quelle 2 vor dem Resonator 3 angeordnet. Die Quelle 2 besitzt dabei eine durch die Quelle 3 vorgegebene Quellen-Bandbreite f_BQ. In der Quelle 2 werden Einzelphotonen 4 mit der Quellen-Bandbreite f_BQ erzeugt und dann in den Resonator 3 eingekoppelt. Im Resonator 3 werden durch die Resonator-Geometrie Einzelphotonen 4 mit der Resonator-Bandbreite f_RQ herausgefiltert und nur diese Einzelphotonen aus dem Resonator 3 ausgekoppelt. Der Vorteil einer Anordnung der Quelle 2 außerhalb des Resonators 3 liegt in der einfachen Anordnung und Ausbildung der Quelle 2 und des Resonators 3.
3a und 3b zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele des Wellenlängennormals 6.
3a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des Wellenlängennormals 6 mit Gaszelle 11 und einem Einzelphoton-Detektor 12. Ein Einzelphoton 4 wird durch die Gaszelle 11 geleitet und kann hinter der Gaszelle 11 von dem Einzelphoton-Detektor 12 detektiert werden, welcher bei einer Detektion ein elektrisches Signal 13 erzeugt und dieses an den Regler 7 weiterleitet. Das Transmissionsspektrum der Gaszelle 11 ist in 5 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel absorbiert das Gas in der Gaszelle 11 das Einzelphoton 4, wenn das Einzelphoton 4 die vorbestimmte Wellenlänge fv aufweist. Somit werden bei Erreichen der vorbestimmten Wellenlänge fv keine Einzelphotonen 4 mehr vom Einzelphoton-Detektor 12 detektiert. Der Regler 7 ist in diesem Ausführungsbeispiel als ein PI-Regler ausgebildet und regelt den Resonator 3 derart, dass das elektrische Signal 13 des Einzelphoton-Detektors 12 minimiert wird. Da das Transmissionsspektrum des Gases in der Gaszelle 11 ein Minimum sowohl bei der vorbestimmten Wellenlänge fv als auch am linken und rechten Rand aufweist, wird bei diesem Ausführungsbeispiel das Transmissionsspektrum des Gases zuerst gemessen, um die Anfangsposition des Resonators zu bestimmen. Dies kann durch aktives Verstellen des Resonators über einen breiten Wellenlängenbereich erfolgen.
3b zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Wellenlängennormals 6 mit einem Gitter 10. In diesem Ausführungsbeispiel werden Einzelphotonen 4 entsprechend ihrer Resonator-Wellenlänge f_R unter unterschiedlichen Winkeln reflektiert und in Richtung des Einzelphoton-Detektors 12 reflektiert. Bei der Detektion eines Einzelphotons 4 erzeugt der Einzelphoton-Detektor 12 das elektrische Signal 13 und leitet dieses an den Regler 7 weiter. Durch die Position des Einzelphoton-Detektors 12 und dem Einfallswinkel des Einzelphotons 4 kann die vorbestimmte Wellenlänge fv eingestellt werden. Das Auflösungsvermögen des zweiten Ausführungsbeispiels kann durch die Anordnung mehrerer Gitter hintereinander verbessert werden.
4 zeigt eine schematische Darstellung des Spektrums der Quelle mit der Quellen-Bandbreite f_BQ, der Resonator-Bandbreite f_BR, der Resonator-Wellenlänge f_R, der vorbestimmten Wellenlänge f_V, auf die der Resonator 3 eingestellt werden soll, und die Richtung der Regelung X. Dabei weist eine Quelle 2, außerhalb des Resonators 3 angeordnet, die Quellen-Bandbreite f_BQ auf. Der Resonator 3 filtert Einzelphotonen 4 mit der Resonator-Bandbreite f_BR aus der Quellen-Bandbreite f_BQ heraus. Bei einer Quelle 2 innerhalb des Resonators 3 hat die Quelle 2 die theoretische Quellen-Bandbreite f_BQ, wobei die Quelle 2 durch den Resonator 3 aber nur zur Erzeugung von Einzelphotonen 4 mit einer Resonator-Bandbreite f_BR angeregt wird. Die Regelung X gibt die Richtung und den Wellenlängenunterschied von der Quellen-Bandbreite f_BQ zur vorbestimmten Wellenlänge fv an. Dabei ist es möglich, die Einstellung des Resonators 3 durch einen Schritt zu erreichen oder aber durch mehrere kleine Schritte, um sich der vorbestimmten Wellenlänge fv anzunähern.
5 zeigt eine schematische Darstellung des Transmissionsspektrums eines Gases in einer Gaszelle 11 eines Ausführungsbeispiels des Wellenlängennormals 6, wobei 0 der vorbestimmten Wellenlänge fv entspricht.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur Erzeugung von Einzelphotonen mit einer vorbestimmten Wellenlänge fv
2: Quelle
3: Resonator
4: Einzelphoton
5: Strahlführung
6: Wellenlängennormal
7: Regler
8: Ausgang
9: Steuersignals
10: Gitter
11: Gaszelle
12: Detektor
13: elektrische Signal
14: Resonator-Material
fR: Resonator-Wellenlänge
fBR: Resonator-Bandbreite
fQ: Quellen-Wellenlänge
fBQ: Quellen-Bandbreite
fv: vorbestimmte Wellenlänge
X: Regelung

Claims

Verfahren zur Erzeugung von Einzelphotonen (4) mit einer vorbestimmten Wellenlänge fv, vorzugsweise zur Verwendung für optische Kommunikation, Quantenkryptographie und/oder Quanteninformatik, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: i) Erzeugen eines Einzelphotons (4), in einer Quelle (2) und einem Resonator (3), wobei das Einzelphoton (4) eine Resonator-Wellenlänge f_R und eine Resonator-Bandbreite f_BR aufweist, ii) Messen der Resonator-Wellenlänge f_R, vorzugsweise in einem Wellenlängennormal (6), wobei das Einzelphoton (4) über eine Strahlführung (5) vom Resonator (3) zum Wellenlängennormal (6) geführt wird, gekennzeichnet durch iii) Vergleichen der Resonator-Wellenlänge f_R mit der vorbestimmten Wellenlänge fv und Generieren eines Steuersignals (9) anhand des Vergleichs, vorzugsweise in einem Regler (7), iv) Einstellen des Resonators (3) durch das Steuersignal (9), um die Resonator-Wellenlänge f_R in Richtung oder auf die vorbestimmte Wellenlänge fv zu ändern, v) Wiederholen der Schritte i bis iv) bis die Resonator-Wellenlänge f_R der vorbestimmten Wellenlänge fv entspricht und anschließendes Auskoppeln in einen Ausgang (8), vorzugsweise durch die Strahlführung (5), eines Einzelphotons mit vorbestimmter Wellenlänge fv, und wobei die vorbestimmte Wellenlänge fv eine der Fraunhofer-Linien ist.
Verfahren zur Erzeugung von Einzelphotonen (4) mit einer vorbestimmten Wellenlänge fv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte i) bis iv) oder der Schritt v) eine Regelung bei der Erzeugung von Einzelphotonen (4) mit der vorbestimmten Wellenlänge fv bilden.
Verfahren zur Erzeugung von Einzelphotonen (4) mit einer vorbestimmten Wellenlänge fv nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge des Einzelphotons (4), vorzugsweise in Schritt i), einer Regelgröße entspricht, und/oder dass die gemessene Resonator-Wellenlänge f_R, vorzugsweise in Schritt ii), einem Istwert entspricht, und/oder dass die vorbestimmte Wellenlänge fv einem Sollwert entspricht.
Verfahren zur Erzeugung von Einzelphotonen (4) mit einer vorbestimmten Wellenlänge fv nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (7) in Schritt iii) den Istwert und den Sollwert vergleicht und dass der Regler (7) anhand des Vergleichs das Steuersignal (9) ermittelt und/oder generiert.
Verfahren zur Erzeugung von Einzelphotonen (4) mit einer vorbestimmten Wellenlänge fv nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte i) bis iv) wiederholt werden, bis die Resonator-Wellenlänge f_R des erzeugten Einzelphotons (4) in Schritt i) in einem Bereich von ±0,2 nm, vorzugsweise ±0,01 nm, höchst vorzugsweise ±0,001 nm um die vorbestimmte Wellenlänge fv liegt, vorzugsweise stellt der Bereich von ±0,2 nm, vorzugsweise ±0,01 nm, höchst vorzugsweise ±0,001 nm um die vorbestimmte Wellenlänge fv eine Regelschwelle dar.
Verfahren zur Erzeugung von Einzelphotonen (4) mit einer vorbestimmten Wellenlänge fv nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einzelphoton (4) in Schritt i) durch spontane Emission oder spontane parametrische Konversion erzeugt wird, vorzugsweise dass das Einzelphoton (4) in der Quelle (3) durch Anregung eines Festkörperkristalls oder eines nicht-linearen Kristalls oder Heterostruktur oder einer zweidimensionalen Struktur, vorzugweise durch Anregung mit einem Pumpsignal erzeugt wird.
Verfahren zur Erzeugung von Einzelphotonen (4) mit einer vorbestimmten Wellenlänge fv nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt i) d) die Quelle (2) durch den Resonator (3) zur Emission des Einzelphotons (4) mit einer Resonator-Wellenlänge f_R und einer Resonator-Bandbreite f_BR angeregt wird, wobei vorzugsweise die Quelle (2) ohne Resonator (3) eine Quellen-Bandbreite f_QR aufweist, welche größer ist als die Resonator-Bandbreite f_SR.
Verfahren zur Erzeugung von Einzelphotonen (4) mit einer vorbestimmten Wellenlänge fv nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt iv) der Resonator (3) chemisch, thermisch, elektrisch, mechanisch und/oder optisch geregelt wird und/oder regelbar ausgebildet ist, vorzugsweise dass durch die chemische, thermische, elektrische, mechanische und/oder optische Regelung der Abstand der Resonator-Wände geändert und/oder der Brechungsindex eines Materials (14) im Resonator (3) geändert wird.
Verfahren zur Erzeugung von Einzelphotonen (4) mit einer vorbestimmten Wellenlänge fv nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt i) der Resonator (3) photonisch und/oder mechanisch mit der Quelle (2) gekoppelt ist.
Verfahren zur Erzeugung von Einzelphotonen (4) mit einer vorbestimmten Wellenlänge fv nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung in Schritt ii) durch ein dispersives Element oder durch einen Absorber erfolgt, vorzugsweise durch ein Gitter, und/oder ein Prisma und/oder einen oder mehrere spektrale Filter auf absorptiver oder reflektiver Basis und/oder einem chemischen Absorber und/oder einem Gas oder Dampf oder Plasma, vorzugsweise in einer Gaszelle (11).
Verfahren zur Erzeugung von Einzelphotonen (4) mit einer vorbestimmten Wellenlänge fv nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlführung (5) umschaltbar ausgebildet ist, um in Schritt i) und ii) das Einzelphoton (4) von der Quelle (2) und dem Resonator (3) zum Wellenlängennormal (6) zu führen und in Schritt v) das Einzelphoton (4) von der Quelle (2) und dem Resonator (3) zu dem Ausgang (8) zu führen, vorzugsweise das Einzelphoton (4) mit der vorbestimmten Wellenlänge fv zu führen, höchst vorzugsweise das Einzelphoton (4) zum Ausgang (8) zu führen, wenn das zuvor gemessene Einzelphoton (4) die vorbestimmte Wellenlänge fv aufgewiesen hat, oder dass die Strahlführung (5) als ein passives optisches Element ausgebildet ist, vorzugsweise als Strahlteiler, wobei im Durchschnitt ein bestimmtes Verhältnis an erzeugten Einzelphotonen (4) entweder zum Wellenlängennormal (6) geführt werden, oder zum Ausgang (8) geführt werden.
Vorrichtung zur Erzeugung von Einzelphotonen (4) mit einer vorbestimmten Wellenlänge fv (1), vorzugsweise zur Verwendung für optische Kommunikation, Quantenkryptographie und/oder Quanteninformatik, wobei die Vorrichtung eine Quelle (2), einen Resonator (3), eine Strahlführung (5) und ein Wellenlängennormal (6) aufweist, und wobei die Quelle (2) und der Resonator (3) Einzelphotonen (4) mit einer Resonator-Wellenlänge f_R und einer Resonator-Bandbreite f_BR erzeugen, und wobei die Strahlführung (5) das Einzelphoton (4) vom Resonator (3) zum Wellenlängennormal (6) oder zu einem Ausgang (8) führt, und wobei das Wellenlängennormal (6) die Wellenlänge des Einzelphotons (4) misst, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) einen Regler (7) aufweist, und dass die Vorrichtung (1) einen Regelkreis zum Regeln der Resonator-Wellenlänge f_R auf die vorbestimmte Wellenlänge fv aufweist, wobei der Regelkreis aus dem Resonator (3) als Stellmittel, dem Wellenlängennormal (6) als Messeinrichtung und dem Regler (7) zum Steuern des Resonators (3) ausgebildet ist, und dass die vorbestimmte Wellenlänge fv eine der Fraunhofer-Linien ist.
Vorrichtung zur Erzeugung von Einzelphotonen (4) mit einer vorbestimmten Wellenlänge fv nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (7) als ein stetiger Regler (7) ausgebildet ist, vorzugweise als ein Proportional-Regler (P-Regler), oder als ein Proportional-Integral-Regler (PI-Regler), oder als ein Proportional-Differenzial-Regler (PD-Regler), oder als ein Proportional-Integral-Differenzial-Regler (PID-Regler).