DE102022104511A1

DE102022104511A1 - Verschränkte Photonenquelle

Info

Publication number: DE102022104511A1
Application number: DE102022104511.0A
Authority: DE
Inventors: Oliver de Vries; Adrià Sansa Perna; Alessandro Zannotti; René Heilmann
Original assignee: Quantum Optics Jena GmbH
Current assignee: Quantum Optics Jena GmbH
Priority date: 2022-02-25
Filing date: 2022-02-25
Publication date: 2023-08-31

Abstract

Vorgeschlagen wird eine Quelle (1) zum Erzeugen von verschränkten Photonenpaaren, wobei die Quelle (1) eine Pumpvorrichtung (2) und eine Verschränkungsvorrichtung (3) umfasst, und die Verschränkungsvorrichtung (3) ein nicht-lineares Element (6) aufweist, wobei das nicht-lineare Element (6) zur Erzeugung verschränkter Photonenpaare durch einen Pumplaserstrahl (11) gepumpt wird. Wesentlich dabei ist, dass die Pumpvorrichtung (2) mehrere Laser (5) aufweist, vorzugsweise n Laser (5) mit n = 2 bis m und m als natürliche Zahl größer 2, und wobei jeder Laser (5) einen Laserstrahl (10) mit jeweils einer Pumpwellenlänge λnerzeugt, wobei die Pumpwellenlängen λnder Laserstrahlen (10) jeweils spektral getrennt voneinander ausgebildet sind, und dass die Quelle (1) weiter einen Kombinator (4) aufweist, der zwischen der Pumpvorrichtung (2) und der Verschränkungsvorrichtung (3) angeordnet ist, wobei in dem Kombinator (4) die mehreren Laserstrahlen (10) mit jeweils der Pumpwellenlänge λnzu einem Pumplaserstrahl (11) mit den mehreren spektral getrennten Pumpwellenlängen λnkombiniert werden, und dass in der Verschränkungsvorrichtung (3) durch den Pumplaserstrahl (11) mit den mehreren spektral getrennten Pumpwellenlängen λnmehrere spektral getrennte verschränkte Photonenpaare erzeugt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Quelle zur Erzeugung von verschränkten Photonenpaaren nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Erzeugung verschränkter Photonenpaare nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 8.
Vorrichtungen und Verfahren zur Erzeugung von verschränkten Photonenpaaren durch nicht-lineare Prozesse wie beispielsweise Parametrische Fluoreszenz (Spontaneous parametric down-conversion SPDC) oder Vier-Wellen-Mischung (Four-Wave mixing FWM) sind bereits bekannt. Zu den bekanntesten Quellen zählen beispielsweise BBO-Quellen, lineare Quellen und Sagnac-Quellen.
Die Quellen zur Erzeugung von verschränkten Photonenpaaren sind derart aufgebaut und konfiguriert, dass zeitlich nacheinander jeweils ein verschränktes Photonenpaar erzeugt wird. Jedes Photonenpaar weist ein Signal-Photon mit einer festen Signal-Wellenlänge λ_s und einem Idler-Photon mit einer festen Idler-Wellenlänge λ_i auf. Die Spektralbreite der Signal- und Idler-Photonen, sowie die Wellenlänge wird durch den Pumplaser und die Eigenschaften des nicht-linearen Kristalls bestimmt. Weiter wird in bekannten Quellen darauf geachtet, dass nicht mehrere Photonenpaare gleichzeitig erzeugt werden, da dies zu Fehlmessungen bei den Empfängern der Photonenpaare führt.
Die erzeugten verschränkten Photonenpaare werden beispielsweise zur Quantenkommunikation zwischen zwei Empfängern benutzt. Quantenkommunikation ermöglicht die Kommunikation oder die Generation eines Quantenschlüssels durch die Übertragung oder den Austausch von Einzelphotonen zwischen den Empfängern. Die Übertragung der Photonen erfolgt in einem Netzwerk aus Quantenkanälen. Darin sind entweder alle Empfänger direkt über jeweils einen Quantenkanal miteinander verbunden, oder die Verbindung der Empfänger erfolgt über eine Quelle, welche jeweils über einen Quantenkanal mit jedem Empfänger verbunden ist.
Nachteilig in bestehenden Quantennetzwerken mit bekannten Quellen für verschränkte Photonenpaare ist, dass die Quantenkommunikation zu einem bestimmten Zeitpunkt bei angemessener Übertragungsrate nur zwischen zwei Empfängern durchgeführt werden kann, oder dass die Übertragungsrate durch Multiplexing einer spektral breiten Quelle die Kommunikation zwischen mehreren Empfängern derart reduziert wird, dass keine wirtschaftliche Quantenkommunikation möglich ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Quelle zur Erzeugung von verschränkten Photonenpaaren und ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen, welches flexibel in der Erzeugung der Eigenschaften der Photonenpaare ist und auch eine hohe Übertragungsrate zur Quantenkommunikation gleichzeitig zwischen mehreren Empfängern ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Quelle für verschränkte Photonenpaare nach den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird eine Quelle zum Erzeugen von verschränkten Photonenpaaren vorgeschlagen, vorzugsweise zur Verwendung zur Quantenkommunikation, Quantenkryptographie und/oder Quanteninformatik, wobei die Quelle eine Pumpvorrichtung und eine Verschränkungsvorrichtung umfasst, und
die Verschränkungsvorrichtung ein nicht-lineares Element aufweist, wobei das nicht-lineare Element zur Erzeugung verschränkter Photonenpaare durch einen Pumplaserstrahl gepumpt wird.
Wesentlich dabei ist, dass die Pumpvorrichtung mehrere Laser aufweist, vorzugsweise n Laser mit n = 2 bis m und m als natürliche Zahl größer 2, und wobei jeder Laser einen Laserstrahl mit jeweils einer Pumpwellenlänge λ_n erzeugt, wobei die Pumpwellenlängen λ_n der Laserstrahlen jeweils spektral getrennt voneinander ausgebildet sind, und
dass die Quelle weiter einen Kombinator aufweist, der zwischen der Pumpvorrichtung und der Verschränkungsvorrichtung angeordnet ist, wobei in dem Kombinator die mehreren Laserstrahlen mit jeweils der Pumpwellenlänge λ_n zu einem Pumplaserstrahl mit den mehreren spektral getrennten Pumpwellenlängen λ_n kombiniert werden, und
dass in der Verschränkungsvorrichtung durch den Pumplaserstrahl mit den mehreren spektral getrennten Pumpwellenlängen λ_n mehrere spektral getrennte verschränkte Photonenpaare erzeugt werden.
Weiter wird die Aufgabe durch das Verfahren zur Erzeugung verschränkter Photonenpaare nach den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren vorgeschlagen zum Erzeugen von verschränkten Photonenpaaren, vorzugsweise zur Verwendung zur Quantenkommunikation, Quantenkryptographie und/oder Quanteninformatik, umfassend eine Pumpvorrichtung und eine Verschränkungsvorrichtung, umfassend die Schritte:

i) Erzeugen mehrerer Laserstrahlen, vorzugsweise in der Pumpvorrichtung;
ii) Modifizieren der Laserstrahlen zu einem Pumplaserstrahl;
iii) Pumpen eines nicht-linearen Elements mit dem Pumplaserstrahl, um verschränkte Photonenpaare zu erzeugen, vorzugsweise in der Verschränkungsvorrichtung.

_n

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass gleichzeitig mehrere spektral getrennte verschränkte Photonenpaare in nur einem nicht-linearen Element erzeugt werden, indem das nicht-lineare Element mit einem Pumplaserstrahl mit mehreren Pumpwellenlänge λ_n gepumpt wird. Dadurch können mehrere spektral getrennte verschränkte Photonenpaare erzeugt werden und gleichzeitig die Kosten und der Aufwand der Justage der optischen Komponenten auf einen einzigen Aufbau reduziert werden.
Ein weiterer Vorteil der gleichzeitigen Erzeugung mehrerer verschränkter Photonenpaare mit unterschiedlichen Wellenlängen liegt darin, dass die Übertragungsrate auch bei einer Quantenkommunikation zwischen mehreren Empfängern weiter mit konstant hoher Übertragungsrate möglich ist. Im Gegensatz dazu verringert sich die Übertragungsrate bei bekannten Quellen proportional zur Anzahl der Empfänger, indem die erzeugten Photonenpaare mit einer Wellenlänge auf alle Empfänger aufgeteilt werden, wobei die Anzahl der erzeugten Photonenpaare wegen der Doppelpaarbildung nicht beliebig erhöht werden kann. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung oder dem erfindungsgemäßen Verfahren werden bei zusätzlichen Empfängern die Pumpvorrichtung, d.h. die Laser, angepasst und entsprechend weitere spektral getrennte Photonenpaare erzeugt, wobei die Intensität des einzelnen Laserstrahls entsprechend erhöht werden kann. Die Photonen der verschränkten Photonenpaare, welche in der erfindungsgemäßen Vorrichtung oder durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugt werden, können beispielsweise in oder nach der Quelle anhand ihrer Wellenlänge voneinander getrennt werden und an verschiedene Empfänger übermittelt werden, um eine gleichzeitige Quantenkommunikation zwischen mehreren Empfängern zu ermöglichen.
Ein weiterer Vorteil durch die erfindungsgemäße Vorrichtung oder durch das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, die Übertragungsrate bei nur zwei Empfängern proportional zu der Anzahl der Pumpwellenlängen λ_n zu erhöhen, indem jeder Empfänger jeweils ein Detektionsmodul pro Wellenlänge aufweist und die verschränkten Photonen der spektral getrennten verschränkten Photonenpaare aus verschiedenen Pumpwellenlängen λ_n getrennt voneinander detektiert werden.
Es kann vorgesehen sein, dass der Kombinator als ein oder mehrere dichroitische Filter, und/oder dichroitische Spiegel, ein oder mehrere Interferenzfilter, ein oder mehrere Strahlteiler und/oder polarisierende Strahlteiler ausgebildet ist. Es kann vorgesehen sein, dass der Kombinator als ein oder mehrere Gitter ausgebildet ist, vorzugsweise als ein oder mehrere Transmissions- oder Reflexions-Gitter, und/oder ein oder mehrere Volumen Bragg Gitter. Es kann vorgesehen sein, dass der Kombinator als ein oder mehrere dispersive Medien ausgebildet ist, vorzugsweise als ein oder mehrere Prismen.
Es kann vorgesehen sein, dass der Kombinator weitere optische Mittel zur Beeinflussung der Intensitätsverteilung eines oder mehrerer der n Laserstrahlen oder des Pumplaserstrahls aufweist. Vorzugsweise sind die optischen Mittel als Blenden, Filter, Reflektoren, Strahlformer (Beam Shaper), und/oder Linsensysteme ausgebildet.
Es kann vorgesehen sein, dass durch die Kombination der n Laserstrahlen im Kombinator zu dem einen Pumplaserstrahl die mehreren Laserstrahlen räumlich zu einem Pumplaserstrahl kombiniert werden.
Es kann vorgesehen sein, dass durch die Kombination der n Laserstrahlen im Kombinator zu dem einen Pumplaserstrahl die Intensitätsverteilung der mehreren Laserstrahlen räumlich zu einer Intensitätsverteilung des Pumplaserstrahls kombiniert werden. Vorzugsweise ist die Intensitätsverteilung des Pumplaserstrahls für alle Pumpwellenlängen An gleich oder annähernd gleich ausgebildet. Der Vorteil dieser Ausführung liegt darin, dass die mehreren spektral getrennten verschränkten Photonenpaare in dem einen nicht-linearen Element erzeugt werden können, wobei nur eine räumliche Justage des Pumplaserstrahls notwendig ist. Vorzugsweise ist die Intensitätsverteilung des Pumplaserstrahls im nicht-linearen Element für alle Pumpwellenlängen λ_n gleich oder annähernd gleich ausgebildet.
Es kann vorgesehen sein, dass die mehreren Laser jeweils einen gepulsten Laserstrahl oder einen kontinuierlichen Laserstrahl erzeugen.
Es kann vorgesehen sein, dass die Pumpwellenlängen λ_n des Pumplaserstrahls im Bereich von 380 nm bis 800 nm ausgebildet sind, vorzugsweise im Bereich von 380 nm bis 420 nm, oder 510 nm bis 550 nm, oder 750 nm bis 790 nm.
Es kann vorgesehen sein, dass die mehreren spektral getrennten Pumpwellenlängen λ_n mindestens 0,02 nm spektral getrennt voneinander ausgebildet sind, vorzugsweise mindestens 0,1 nm, höchst vorzugsweise mindestens 0,5 nm. Durch eine derartige Separation der Spektren der Pumpwellenlängen λ_n kann sichergestellt werden, dass auch die erzeugten verschränkten Photonenpaare spektral getrennt ausgebildet sind.
Es kann vorgesehen sein, dass die spektrale Breite der Pumpwellenlängen λ_n des Pumplaserstrahls kleiner 10 pm ist, vorzugsweise kleiner 1 pm ist, höchst vorzugsweise kleiner 0,05 pm ist. Der Vorteil eines Pumplaserstrahls mit möglichst geringer spektraler Breite liegt darin, dass die erzeugten mehreren spektral getrennten verschränkten Photonenpaare auch eine geringe spektrale Breite aufweisen.
Es kann vorgesehen sein, dass die Pumpwellenlängen λ_n vollständig spektral voneinander getrennt ausgebildet sind. Es kann vorgesehen sein, dass die spektrale Trennung mindestens einer freien Spektralbreite der Bandbreite des einen oder der mehreren Laser entspricht, vorzugsweise mindestens fünf Spektralbreiten der Bandbreite, höchst vorzugsweise mindestens zehn Spektralbreiten der Bandbreite.
Es kann vorgesehen sein, dass die mehreren spektral getrennten Pumpwellenlängen λ_n derart spektral getrennt sind, dass höchstens 5% des Pumpwellenlängen-Spektrums der mehreren Pumpwellenlängen λ_n überlappen, vorzugsweise höchstens 1 %, höchst vorzugsweise 0,01 %. Der Vorteil eines Pumplaserstrahls mit möglichst großer spektraler Trennung der Pumpwellenlängen λ_n liegt darin, dass die erzeugten mehreren spektral getrennten verschränkten Photonenpaare auch eine große spektrale Trennung aufweisen, wodurch die einzelnen Photonen der Photonenpaare in einfacher Weise zur Quantenkommunikation anhand ihrer Wellenlänge getrennt werden können.
Jedes verschränkte Photonenpaar weist ein Signal-Photon mit der Wellenlänge λ_sn und ein Idler-Photon mit der Wellenlänge λ_in auf, welche durch das Pumpen des nicht-linearen Elements mit der Pumpwellenlänge λ_n erzeugt werden. Die Wellenlänge der Signal-Photonen und der Idler-Photonen bei der Erzeugung von verschränkten Photonenpaaren wird durch die Pumpwellenlängen λ_n und/oder die Eigenschaften des nicht-linearen Elements, wie beispielsweise der Polung des Kristalls, der Temperatur, und/oder des k-Vektors bestimmt, wobei hier erfindungsgemäß ein einziges nicht-lineares Element und mehrere verschiedene Pumpwellenlängen λ_n zur Erzeugung mehrerer spektral getrennter verschränkter Photonenpaare benutzt werden. Das n von λ_sn und λ_in beschreibt dabei die Abhängigkeit der Wellenlängen von den Pumpwellenlängen λ_n.
Unter mehreren spektral getrennten verschränkten Photonenpaaren ist hier zu verstehen, dass einerseits die Signal- und Idler-Photonen eines Photonenpaares unterschiedliche Wellenlängen aufweisen, d.h. es gilt λ_sn ≠ λ_in unabhängig mit welcher Pumpwellenlänge λ_n das Photonenpaar erzeugt wurde. Dies wird auch als nicht-entartetes (non-degenerated) Photonenpaar bezeichnet und wird durch die Abhängigkeit der Wellenlängen sowohl von der Pumpwellenlänge als auch von den Eigenschaften des nicht-linearen Elements erhalten. Zusätzlich gilt für die mehreren spektral getrennten verschränkten Photonenpaare, dass sich die Wellenlängen der Signal-Photonen erzeugt durch die verschiedenen Pumpwellenlängen λ_n spektral voneinander unterscheiden, d.h. es gilt λ_sn ≠ λ_s(n+1). Dies gilt auch entsprechend für die Idler-Photonen, d.h. zusätzlich unterscheiden sich die Wellenlängen der Idler Photonen erzeugt durch die verschiedenen Pumpwellenlängen λ_n spektral voneinander unterscheiden, d.h. es gilt λ_in ≠ λi_(n+1).
Es kann vorgesehen sein, dass die Signal-Photonen aller spektral getrennten verschränkten Photonenpaare in einem Signal-Wellenlängenbereich Δλ_{s all} ausgebildet sind. Es kann vorgesehen sein, dass dieser Signal-Wellenlängenbereich Δ_{s_all} in mehrere Signal-Teil-Wellenlängenbereiche Δλ_sn unterteilt ist, wobei sich die Unterteilung durch die verschiedenen Pumpwellenlängen λ_n ergibt.
Es kann vorgesehen sein, dass die Idler-Photonen aller spektral getrennten verschränkten Photonenpaare in einem Idler-Wellenlängenbereich Δλ_{i_all} ausgebildet sind. Es kann vorgesehen sein, dass dieser Idler-Wellenlängenbereich Δλ_i__all in mehrere Idler-Teil-Wellenlängenbereiche Δλ_in unterteilt ist, wobei sich die Unterteilung durch die verschiedenen Pumpwellenlängen λ_n ergibt.
Es kann vorgesehen sein, dass sowohl der Signal-Wellenlängenbereich Δλ_{s_all} vom Idler-Wellenlängenbereich Δλ_{i_all} spektral getrennt ausgebildet ist, und auch alle Signal-Teil-Wellenlängenbereiche Δλ_sn spektral getrennt voneinander ausgebildet sind, und alle Idler-Teil-Wellenlängenbereiche Δλ_in spektral getrennt voneinander ausgebildet sind.
Vorzugsweise wird hier unter spektral getrennt verstanden, dass sich die Wellenlängen voneinander unterscheiden, und/oder dass die Intensitätsverteilungen der einzelnen Signal-Photonen und/oder Idler-Photonen voneinander getrennt ausgebildet sind.
Es kann vorgesehen sein, dass der Signal-Wellenlängenbereich Δλ_s__all und der Idler-Wellenlängenbereich Δλ_i__all um mindestens 50 nm spektral getrennt voneinander ausgebildet sind, vorzugsweise um mindestens 100 nm, höchst vorzugsweise um mindestens 300 nm.
Es kann vorgesehen sein, dass der Signal-Wellenlängenbereich Δλ_{s_all} zwischen 400 nm und 900 nm ausgebildet ist, vorzugsweise zwischen 600 nm und 850 nm. Der Vorteil dieses Bereichs liegt darin, dass Silizium-basierende Einzelphoton-Detektoren benutzt werden können, welche einfach und kostengünstig hergestellt werden können und im Bereich zwischen 600 nm und 850 nm eine hohe Detektionseffizienz aufweisen.
Es kann vorgesehen sein, dass der Idler-Wellenlängenbereich Δλ_i__all zwischen 950 nm und 2 µm ausgebildet ist, vorzugsweise zwischen 1260 nm und 1360 nm (O-Band), und/oder zwischen 1360 nm und 1460 nm (E-Band), und/oder zwischen 1460 nm und 1530 nm (S-Band), und/oder zwischen 1530 nm und 1565 nm (C-Band), und/oder zwischen 1565 nm und 1625 nm (L-Band). Ein Vorteil dieser Wellenlängenbereiche liegt in der geringen Absorption und/oder geringen Dispersion in Glasfaserkabeln zur Übertragung der Photonen in einer Faser auch über große Entfernungen.
Es kann vorgesehen sein, dass die spektrale Breite der Signal- und Idler-Photonen kleiner 5 nm ist, vorzugsweise kleiner 3 nm ist, höchst vorzugsweise kleiner 0,5 nm ist.
Es kann vorgesehen sein, dass die Signal-Teil-Wellenlängenbereiche Δλ_sn derart spektral getrennt sind, dass höchstens 5% des Wellenlängen-Spektrums zweier Signal-Photonen überlappen, vorzugsweise höchsten 1 %, höchst vorzugsweise 0,01 %. Es kann vorgesehen sein, dass die Idler-Teil-Wellenlängenbereiche Δλ_in derart spektral getrennt sind, dass höchstens 5% des Wellenlängen-Spektrums zweier Idler-Photonen überlappen, vorzugsweise höchstens 1 %, höchst vorzugsweise 0,01%. Der Vorteil einer derart geringen Überlappung besteht in einer höheren Dichte der Signal- und Idler-Teil-Wellenlängenbereiche Δλ_sn,Δλ_in, wobei der Überlapp derart geringgehalten wird, dass die entstehenden Verluste bei einer nachfolgenden spektralen Aufteilung für ein Netzwerk die Kommunikationsrate nicht wesentlich beeinflussen.
Es kann vorgesehen sein, dass die mehreren Pumpwellenlängen λ_n gleichzeitig mehrere verschränkte Photonenpaare erzeugen, d.h. dass durch zwei oder mehr der Pumpwellenlängen λ_n gleichzeitig jeweils ein verschränktes Photonenpaar erzeugt wird. Der Vorteil der gleichzeitigen Erzeugung mehrerer spektral getrennter verschränkter Photonenpaare liegt darin, dass alle erzeugten Photonenpaare zur Quantenkommunikation, Quantenkryptographie und/oder Quanteninformatik genutzt werden können, da es sich hier nicht um Doppelpaare handelt, welche zu Fehlmessungen führen würden, da für Quantenkommunikation, Quantenkryptographie und/oder Quanteninformatik eine spektrale Aufteilung der Photonenpaare erfolgt. Im Gegensatz dazu führt jede Erzeugung von Doppelpaaren, d.h. gleichzeitige Erzeugung mehrerer verschränkter Photonenpaare in bekannten Quellen zu Fehlmessungen.
Gleichzeitig bedeutet hier, dass zwei oder mehrere verschränkte Photonenpaare innerhalb einer Messzeit erzeugt werden. Unter Messzeit ist hier die Detektionszeit des Photons und die Totzeit eines Detektors zu verstehen. Unter Totzeit des Detektors ist die Zeit zu verstehen, welche ein Detektor benötigt, um nach einer Detektion eines Photons in dessen elektrischen Ausgangszustand zurückzukehren, um ein nachfolgendes Photon zu detektieren.
Es kann vorgesehen sein, dass vor und/oder nach dem Kombinator ein oder mehrere weitere nicht-lineare Elemente ausgebildet sind, damit durch einen nicht-linearen Prozess in diesen einen oder weiteren nicht-linearen Elementen die Verschränkungsvorrichtung mit dem Pumplaserstrahl mit den Wellenlängen λ_n gepumpt wird. Dabei kann der nicht-lineare Prozess eine Verschiebung der Wellenlängen vor und/oder nach dem Phasenmodulator bewirken. Es kann vorgesehen sein, dass der nicht-lineare Prozess eine Frequenzverdopplung (Second-harmonic generation SHG), oder Frequenzverdreifachung (Thirdharmonic generation THG), oder Summenfrequenzerzeugung (Sum-frequency generation SFG), oder stimulierte Brillouin-Streuung (Stimulated Brillouin scattering SBS), oder stimulierte Raman-Streuung (Stimulated anti-Stokes Raman scattering SRS), oder Vier-Wellen-Mischung (Four-wave mixing FWM), oder Parametrische Fluoreszenz (Spontaneous parametric down-conversion SPDC) ist.
Es kann vorgesehen sein, dass die verschränkten Photonenpaare in der Zeit, und/oder der Polarisation, und/oder im Bahndrehimpuls, und/oder im Spin-Drehimpuls verschränkt sind.
Es kann vorgesehen sein, dass das nicht-lineare Element in der Verschränkungsvorrichtung als ein oder mehrere nicht-lineare Kristalle, oder als ein oder mehrere nicht-lineare Wellenleiter, oder als photonische Kristallfaser, oder als Mikroresonator ausgebildet ist.
Es kann vorgesehen sein, dass der ein oder die mehreren nicht-linearen Kristalle aus einen oder mehreren BBO-Kristallen (Beta-Bariumborat), oder Kaliumdihydrogenphosphat-Kristallen (KDP), oder Kaliumtitanylphosphat-Kristallen (KTP), oder periodisch gepolten Kaliumtitanylphosphat-Kristallen (pp-KTP), oder Lithiumniobat Kristallen ausgebildet ist.
Es kann vorgesehen sein, dass durch Pumpen des nicht-linearen Kristalls durch einen nicht-linearen Effekt Photonenpaare erzeugt werden, vorzugsweise durch Vier-Wellen-Mischung (Spontaneous Four-wave mixing SFWM), oder Parametrische Fluoreszenz (Spontaneous parametric down-conversion SPDC).
Es kann vorgesehen sein, dass die Verschränkungsvorrichtung in Sagnac-Konfiguration, mit linearer Konfiguration, in BBO-Konfiguration, oder als Vier-Wellen-Mischungs-Konfiguration mit einer Kavität ausgebildet ist.
Es kann vorgesehen sein, dass die mehreren spektral getrennten verschränkten Photonenpaare sich durch die Erzeugung in dem einen nicht-linearen Element räumlich in dieselbe Richtung ausbreiten.
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch die Anordnung der erfindungsgemäßen Quelle in einem Netzwerksystem zur Quantenkommunikation zwischen mehreren Empfängern, vorzugsweise mit i Empfängern mit i = 3 bis r, mit r als ganze Zahl größer drei, vorzugsweise zur Verwendung für optische Kommunikation, Quantenkryptographie und/oder Quanteninformatik.
Es kann vorgesehen sein, dass das Netzwerksystem die erfindungsgemäße Quelle, einen Frequenz-Multiplexer, ein Netzwerk aus Quantenkanälen und mehrere Empfänger aufweist,
wobei die erfindungsgemäße Quelle verschränkte Photonenpaare mit jeweils einem Signal-Photon und einem Idler-Photon erzeugt, und das Signal-Photon eine Wellenlänge in einem Signal-Wellenlängenbereich Δλ_{s_all} aufweist und das Idler-Photon eine Wellenlänge in einem Idler-Wellenlängenbereich Δλ_{i_all} aufweist, und wobei der Frequenz-Multiplexer die Signal- und Idler-Photonen anhand ihrer Wellenlänge den Quantenkanälen zuordnet, und
wobei jeder Empfänger ein Detektionsmodul mit mindesten einem Detektor aufweist zur Detektion der Photonen zur Quantenkommunikation. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Signal-Wellenlängenbereich Δλ_{s_all} und der Idler-Wellenlängenbereich Δλ_{i_all} spektral getrennt voneinander ausgebildet sind, und dass das Netzwerk zwischen der Quelle und jedem Empfänger zur Übertragung der Photonen einen Quantenkanal aufweist, und
dass die Quantenkanäle derart dem Frequenz-Multiplexer zugeordnet sind, dass an einen ersten Empfänger nur Signal-Photonen zur Kommunikation mit allen anderen Empfängern übertragen werden, und an einen zweiten Empfänger nur Idler-Photonen zur Kommunikation mit allen anderen Empfängern übertragen
werden, und an die weiteren Empfänger sowohl Signal-Photonen als auch Idler-Photonen zur Kommunikation mit allen anderen Empfängern übertragen werden.
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von verschränkten Photonenpaaren innerhalb eines Verfahrens zur Quantenkommunikation, vorzugsweise zur Verwendung für optische Kommunikation, Quantenkryptographie und/oder Quanteninformatik, zwischen mindestens drei Empfängern, vorzugsweise zwischen i Empfängern mit i = 3 bis r, mit r als ganze Zahl größer drei.
Es kann vorgesehen sein, dass das Verfahren zur Quantenkommunikation, vorzugsweise zur Verwendung für optische Kommunikation, Quantenkryptographie und/oder Quanteninformatik, zwischen mindestens drei Empfängern, vorzugsweise zwischen i Empfängern mit i = 3 bis r, eine erfindungsgemäße Quelle, einen Frequenz-Multiplexer, die mehreren Empfänger und ein Netzwerk aus Quantenkanälen umfasst, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

a) Erzeugung mehrerer spektral getrennter verschränkter Photonenpaare nach den Schritten i) bis iii) des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Quelle mit jeweils einem Signal-Photon und einem Idler-Photon, wobei das Signal-Photon in einem Signal-Wellenlängenbereich Δ_{s_all} erzeugt wird und das Idler-Photon in einem Idler-Wellenlängenbereich Δλ_{i_all} erzeugt wird;
b) Zuordnen der Signal- und Idler-Photonen anhand ihrer Wellenlänge auf die Quantenkanäle in dem Frequenz-Multiplexer;
c) Übertragen der Photonenpaare über die Quantenkanäle zu den Empfängern;
d) Detektieren der Photonenpaare bei den Empfängern zur Quantenkommunikation, dabei ist vorgesehen, dass die in Schritt a) erzeugten Photonen in einem spektral voneinander getrennten Signal-Wellenlängenbereich Δ_{s_all} und Idler-Wellenlängenbereich Δλ_{i_all} erzeugt werden, und dass in Schritt b) die Photonen den Quantenkanälen derart zugeordnet werden, dass an einen ersten Empfänger in Schritt c) nur Signal-Photonen zur Kommunikation mit allen anderen Empfängern übertragen werden, und an einen zweiten Empfänger in Schritt c) nur Idler-Photonen zur Kommunikation mit allen anderen Empfängern übertragen werden, und an die weiteren Empfänger in Schritt c) sowohl Signal-Photonen als auch Idler-Photonen zur Kommunikation mit allen anderen Empfängern übertragen werden, und dass alle Empfänger über jeweils einen Quantenkanal mit der Quelle verbunden sind.

Es kann vorgesehen sein, dass die erfindungsgemäße Quelle und das erfindungsgemäße Verfahren für jeden Empfänger i Signal- oder Idler-Photonen mit mindestens einer Wellenlänge A_sni. oder A_ini. erzeugt.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Erzeugung mehrerer verschränkter Photonenpaare in dem Verfahren zur Quantenkommunikation und der erfindungsgemäßen Quelle in dem Netzwerk liegt in der speziellen Zuordnung der Photonen auf die Quantenkanäle, indem an den ersten Empfänger nur Signal-Photonen zur Kommunikation mit allen anderen Empfängern übertragen werden, und an den zweiten Empfänger nur Idler-Photonen zur Kommunikation mit allen anderen Empfängern übertragen werden. Diese Zuordnung erfolgt durch die Anordnung der Quantenkanäle zum Frequenz-Multiplexer und die Aufteilung der Photonen anhand ihrer Wellenlänge. Vorteilhaft ergibt sich dadurch, dass für den ersten und den zweiten Empfänger der Quantenkanal und auch die Detektion an den entsprechenden Wellenlängenbereich angepasst werden können, um eine bessere Kommunikationsrate oder Übertragungsrate zu ermöglichen, d.h. die Kommunikationsrate bzw. die Übertragungsrate der Quantenkommunikation wird verbessert, indem die Zuordnung der Photonen entsprechend bestimmten Eigenschaften der Empfänger wie beispielsweise der Entfernung oder der Detektion erfolgt.
Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass in Schritt a) zusätzlich zeitlich nacheinander mehrere Photonenpaare erzeugt werden, welche dann entsprechend den Schritten b) bis d) nacheinander auf die Empfänger aufgeteilt, übertragen und detektiert werden, um eine Quantenkommunikation, Quantenkryptographie und/oder Quanteninformatik zwischen den Empfängern mit mehreren Photonenpaaren zu ermöglichen.
Unter weiteren Empfängern sind dabei alle Empfänger des erfindungsgemäßen Verfahrens oder Netzwerksystems zu verstehen, welche nicht der erste oder der zweite Empfänger sind. Beispielsweise weist ein Netzwerk mit vier Empfängern den ersten Empfänger, den zweiten Empfänger und zwei weitere Empfänger auf. Ein Netzwerk mit beispielsweise sechs Empfängern weist den ersten Empfänger, den zweiten Empfänger und vier weitere Empfänger auf.
Es kann vorgesehen sein, dass die Schritte a) bis d) zur Erzeugung eines gemeinsamen Schlüsselpaares für Quantenkryptographie, und/oder zur optischen Kommunikation und/oder zur Quanteninformation verwendet werden.
Vorzugsweise ist unter Zuordnen der Signal- und Idler-Photonen anhand ihrer Wellenlänge auf die Quantenkanäle in dem Frequenz-Multiplexer in Schritt b) zu verstehen, dass die Quelle Signal- und Idler-Photonen mit verschiedenen Wellenlängen erzeugt und die Photonen, vorzugsweise in einer räumlichen Mode, zum Frequenz-Multiplexer übertragen werden. Der Frequenz-Multiplexer teilt die Signal- und Idler-Photonen entsprechend ihrer Wellenlänge auf verschiedene Quantenkanäle auf. Es kann vorgesehen sein, dass die Kanäle des Frequenz-Multiplexers eine spektrale Breite zwischen 0,1 nm und 5 nm aufweisen. Durch eine derartige Ausgestaltung können kostengünstige Bauteile, wie beispielsweise ein Volumen Bragg-Gitter verwendet werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Zuordnung der Signal- und Idler-Photonen verlustfrei oder annähernd verlustfrei erfolgt. Durch die relativ große spektrale Breite der Kanäle können die erzeugten Signal- und Idler-Photonen mit ihrer geringeren spektralen Breite verlustfrei oder annähernd verlustfrei auf die Quantenkanäle zugeordnet werden. Im Gegensatz dazu werden in bekannten Systemen unter großen Verlusten die Signal- und Idler-Photonen auf die mehreren Kanäle aufgeteilt, indem das zusammenhängende Signal- und/oder Idler-Photonenspektrum in die mehreren Kanäle aufgeteilt wird.
Aus den voran beschriebenen spektral getrennten Signal- und Idler-Wellenlängenbereichen Δλ_{s_all}, Δλ_{i_all} ergibt sich der weitere Vorteil, dass eine Übermittlung bzw. Zuordnung von Idler-Photonen zu Empfängern wellenlängenabhängig erfolgen kann, um Entfernungsverluste auszugleichen. Beispielsweise kann die Zuordnung derart erfolgen, dass dem weitest entfernten Empfänger nur Idler-Photonen übermittelt werden, welche durch ihre Wellenlänge einen deutlich geringeren Verlust bei der Übertragung in Glasfasern aufweisen. Weiter können beispielsweise dem nächstliegenden oder einem nahen Empfänger nur Signal-Photonen übermittelt werden, welche eine Wellenlänge mit höheren Verlusten in der Glasfaser aufweisen, aber kostengünstigere Detektoren besitzen oder Detektoren mit höherer Detektionseffizienz benutzen. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt in der einfachen und verlustfreien Aufteilung der Photonen durch den Frequenz-Multiplexer, da hier nicht ein breites spektrales Spektrum unter hohen Verlusten aufgeteilt wird.
Es kann vorgesehen sein, dass jeweils zwei Empfänger der Photonen eines Photonenpaares ein Kommunikationspaar bilden, vorzugsweise mit k = i(i - 1)/2 Kommunikationspaaren bei i Empfängern ausgebildet sind. Es kann vorgesehen sein, dass für jedes Kommunikationspaar jeweils ein Signal-Photon und ein Idler-Photon in Schritt a) in jeweils einem Signal-Teil-Wellenlängenbereich Δλ_sn und Idler-Teil-Wellenlängenbereich Δλ_in erzeugt wird, wobei jeder (Signal-, Idler-) Teil-Wellenlängenbereich Δλ_sn, Δλ_in, für jedes Kommunikationspaar spektral getrennt von den (Signal-, Idler-) Teil-Wellenlängenbereichen Δλ_sn, Δλ_in aller anderen Kommunikationspaare ausgebildet ist.
Es kann vorgesehen sein, dass für jedes Kommunikationspaar k eine Pumpwellenlänge λ_n erzeugt wird, d.h. es gilt k = n.
Es kann vorgesehen sein, dass die erfindungsgemäße Quelle zur gleichzeitigen Quantenkommunikation zwischen mehreren Kommunikationspaaren ausgebildet ist, indem in Schritt a) gleichzeitig für zwei oder mehrere Kommunikationspaare jeweils ein spektral getrenntes verschränktes Photonenpaar erzeugt wird. Der Vorteil dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung liegt in der gleichzeitigen hohen Übertragungsrate zwischen mehreren Kommunikationspaaren. Dadurch wird die Übertragungsrate bei der Quantenkommunikation nicht wie bei bekannten Quellen entsprechend der Anzahl der Kommunikationspaare reduziert, sondern ermöglicht eine hohe Übertragungsrate auch gleichzeitig zwischen mehreren Kommunikationspaaren. Besonders vorteilhaft ist die gleichzeitige Erzeugung von mehreren Photonenpaaren für mehrere Kommunikationspaare in Kombination mit der spektralen Unterteilung der Signal- und Idler-Wellenlängenbereiche Δλ_{s_all}, Δλ_{i_all} in die Signal- und Idler-Teil-Wellenlängenbereiche Δλ_sn, für die unterschiedlichen Kommunikationspaare. Der Vorteil liegt darin, dass mehrere Kommunikationspaare gleichzeitig mit einer hohen Übertragungsrate kommunizieren können und die Zuordnung und Aufteilung im Frequenz-Multiplexer annähernd verlustfrei erfolgt, da die Wellenlängen der Signal- und Idler-Photonen eines Paares, die Signal-Photonen mehrerer Kommunikationspaare und die Idler-Photonen mehrerer Kommunikationspaare spektral voneinander getrennt ausgebildet sind.
Es kann vorgesehen sein, dass zur gleichzeitigen Quantenkommunikation in Schritt b) die Photonen den Quantenkanälen derart zugeordnet werden, dass an einen ersten Empfänger in Schritt c) nur Signal-Photonen zur Kommunikation mit allen anderen Empfängern übertragen werden, und an einen zweiten Empfänger in Schritt c) nur Idler-Photonen zur Kommunikation mit allen anderen Empfängern übertragen werden, und an die weiteren Empfänger in Schritt c) sowohl Signal-Photonen als auch Idler-Photonen zur Kommunikation mit allen anderen Empfängern übertragen werden. Es ist möglich, dass zur gleichzeitigen Quantenkommunikation an zwei Kommunikationspaare oder drei Kommunikationspaare oder mehrere Kommunikationspaare oder alle Kommunikationspaare Photonen übermittelt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass zur gleichzeitigen Quantenkommunikation in Schritt b) mehrere Signal- und/oder Idler Photonen für einen Empfänger anhand ihrer Wellenlänge auf den einen Quantenkanal des Empfängers zugeordnet werden können, und dass in Schritt c) die mehreren Signal- und/oder Idler Photonen für einen Empfänger in einem Quantenkanal zum Empfänger übertragen werden, und in Schritt d) die mehreren Signal- und/oder Idler Photonen bei einem Empfänger detektiert werden. Der Vorteil besteht darin, dass zur gleichzeitigen Quantenkommunikation mit mehreren Empfängern nicht mehrere Quantenkanäle notwendig sind, sondern die Übertragung über den jeweils einen Quantenkanal zwischen Quelle und Empfänger erfolgt.
Gleichzeitig bedeutet hier, dass zwei oder mehrere verschränkte Photonenpaare innerhalb der Messzeit eines Photons in einem Detektor erzeugt werden, vorzugsweise im langsamsten Detektor des Systems, wobei die Messzeit hier die Detektion des Photons und die Totzeit des Detektors umfasst, wobei die Erzeugung in der Quelle stattfindet. Unter Totzeit des Detektors ist die Zeit zu verstehen, welche ein Detektor benötigt, um nach einer Detektion eines Photons in dessen elektrischen Ausgangszustand zurückzukehren, um ein nachfolgendes Photon zu detektieren.
Es kann vorgesehen sein, dass gleichzeitig eine Übertragungsrate zwischen zwei oder mehreren Kommunikationspaaren von mindestens 10Hz, vorzugsweise mindestens 10kHz, höchst vorzugsweise mindesten 1 MHz durchgeführt wird. Höhere Übertragungsraten sind hier möglich, da durch die spektral getrennt erzeugten Photonenpaare kein Verlust oder nur ein sehr geringer Verlust bei der Aufteilung auf die Quantenkanäle erfolgt.
Es kann vorgesehen sein, dass ein oder mehrere oder alle Quantenkanäle als Glasfaserkanäle ausgebildet sind und/oder Glasfaserstrecken aufweisen. Der Vorteil einer derartigen Ausgestaltung liegt im kostengünstigen und einfachen Aufbau des Netzwerks.
Es kann vorgesehen sein, dass der Quantenkanal zwischen der Quelle und den weiteren Empfängern eine Glasfaser, oder zwei Glasfasern oder mehrere Glasfasern aufweist, wobei vorzugsweise bei zwei oder mehreren Glasfasern diese für unterschiedliche Wellenlängenbereiche optimiert sind, vorzugsweise für den Signal-Wellenlängenbereich Δλ_{s_all} und/oder den Idler-Wellenlängenbereich Δλ_{i_all}. Der Vorteil des Quantenkanals mit nur einer Glasfaser liegt in dem kostengünstigen und einfachen Aufbau. Der Vorteil des Quantenkanals mit zwei oder mehreren Glasfasern liegt darin, dass zur Übertragung des Photons zum Empfänger die Glasfaser mit den geringsten Verlusten oder Störungen gewählt werden kann.
Es kann vorgesehen sein, dass ein oder mehrere Quantenkanäle als nicht geführter Quantenkanal ausgebildet sind, vorzugsweise dass die Übertragung durch die Luft, oder Vakuum oder eine Flüssigkeit erfolgt. Der Vorteil eines derartigen Quantenkanals sind die geringen Verluste bei der Übertragung. Vorzugsweise ist der Empfänger eines nicht geführten Quantenkanals in einem Satelliten angeordnet.
Es kann vorgesehen sein, dass der erste Empfänger höchstens 20 km von der Quelle entfernt angeordnet ist, vorzugsweise höchstens 10 km, höchst vorzugsweise höchstens 2 km oder in unmittelbarer Nähe zur Quelle angeordnet ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass zur Detektion der Signal-Photonen in diesem Wellenlängenbereich kostengünstige Detektoren mit hoher Effizienz benutzt werden können, wobei durch die nahe Anordnung zur Quelle sichergestellt wird, dass der Verlust in den Quantenkanälen den Vorteil der hohen Detektionseffizienz nicht überwiegt. Weiter ist es bei einer nahen Anordnung auch möglich, kostengünstige Quantenkanäle, vorzugsweise kostengünstige Fasern zu verwenden, da auch bei einem kurzen Übertragungsweg die Verluste nicht so gravierend sind.
Es kann vorgesehen sein, dass der zweite Empfänger, welcher nur Idler-Photonen empfängt, über eine Glasfaser mit der Quelle verbunden ist, vorzugsweise dass die Glasfaser eine Länge von größer 20 km, höchst vorzugsweise mindestens 50 km aufweist. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und Systems liegt darin, dass auch bei einer Kommunikation zwischen mehreren Empfängern eine hohe Übertragungsrate zu einem weit entfernten Empfänger sichergestellt werden kann, indem dieser nur Idler-Photonen erhält, welche eine Wellenläge im Idler-Wellenlängenbereich Δλ_{i_all} aufweisen.
Es kann vorgesehen sein, dass der erste und/oder der zweite Empfänger durch eine Hollow-Core-Fiber mit der Quelle verbunden sind. Es kann vorgesehen sein, dass durch die Ausbildung des Quantenkanals als Hollow-Core-Fiber der erste und/oder zweite Empfänger bis zur vierfachen, vorzugsweise achtfachen, höchst vorzugsweise sechzehnfachen der vorangehend beschriebenen Entfernung zur Quelle ausgebildet sind.
Es kann vorgesehen sein, dass der Empfänger ein Detektionsmodul mit mindestens einem Detektor oder mit mehreren Detektoren aufweist.
Es kann vorgesehen sein, dass der eine Detektor oder die mehreren Detektoren als Einzelphoton-Detektoren ausgebildet sind, vorzugsweise als Germanium- oder Silizium-Detektoren, oder Einzelphotonen-Lawinendioden oder Indium-Gallium-Arsenit Detektoren, oder supraleitende Nanodraht-Einzelphoton-Detektoren, oder Silizium-Avalanche Photodioden ausgebildet sind.
Es kann vorgesehen sein, dass das Detektionsmodul zur Bestimmung der Verschränkungseigenschaft ein Messmodul aufweist, vorzugsweise einen Polarisator, und/oder ein unsymmetrisches Interferometer, und/oder einen Spatial Light Modulator (SLM).
Es kann vorgesehen sein, dass der Empfänger mehrere Detektionsmodule aufweist mit jeweils mindestens einem Detektor oder mit mehreren Detektoren zur Kommunikation, wobei jedes Detektionsmodul zur Kommunikation mit einem anderen Empfänger ausgebildet ist. Dadurch kann der Empfänger gleichzeitig mit mehreren anderen Empfängern kommunizieren. Es kann vorgesehen sein, dass vor den mehreren Detektionsmodulen Frequenz-Filter angeordnet sind, um eine Kommunikation mit mehreren Empfängern gleichzeitig zu ermöglichen, indem die Photonen anhand ihrer Wellenlänge auf die Detektionsmodule aufgeteilt werden. Dadurch kann jedem Empfänger im Netzwerk ein Detektionsmodul zugeordnet werden.
Es kann vorgesehen sein, dass der Empfänger mehrere Detektionsmodule aufweist mit jeweils mindestens einem Detektor oder mit mehreren Detektoren zur Kommunikation, wobei die mehreren Detektionsmodule zur Kommunikation mit einem Empfänger ausgebildet sind. Dadurch kann die Übertragungsrate zwischen diesen beiden Empfängern erhöht werden.
Es kann vorgesehen sein, dass der Frequenz-Filter als dichroitischer Spiegel, oder als Gitter, oder als Filter ausgebildet ist.
Es kann vorgesehen sein, dass zwei oder mehrere Netzwerksysteme über einen Empfänger miteinander verbunden sind, indem sich beide Netzwerksysteme diesen Empfänger teilen. Vorzugsweise wird über diesen Empfänger zur Kommunikation zwischen den Netzwerksystemen hinweg eine Bell-State-Messung, Swapping, oder eine Quantenteleportation durchgeführt. Vorzugsweise ist der Empfänger, über den zwei Netzwerksysteme verbunden sind, der erste Empfänger oder der zweite Empfänger. Der Vorteil einer derartigen Ausgestaltung liegt darin, dass die Vorteile des erfindungsgemäßen Netzwerksystems sogar über die Entfernung und Reichweite eines Netzwerksystems hinweg vergrößert werden können.
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 einer ersten Ausführung der erfindungsgemäßen Quelle;
2: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführung der erfindungsgemäßen Quelle;
3: eine schematische Darstellung einer dritten Ausführung der erfindungsgemäßen Quelle;
4: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Intensitätsverteilung der Pumpwellenlängen λ_n;
5: eine schematische Darstellung der Intensitätsverteilung der Signal-Photonen mit der Wellenlänge λ_sn und der Intensitätsverteilung der Idler-Photonen mit der Wellenlänge λ_in erzeugt durch die Pumpwellenlängen λ_n aus 4;
6: eine schematische Darstellung eines Netzwerksystems mit drei Empfängern;
7: eine schematische Darstellung eines Netzwerksystems mit vier Empfängern;
8: eine schematische Darstellung eines Netzwerksystems mit sechs Empfängern;
9: Netzwerksystem aus 7 mit spezieller Anordnung des ersten und zweiten Empfängers;
10: zwei Netzwerksysteme, welche über einen zweiten Empfänger miteinander verbunden sind.

1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Quelle 1 zur Erzeugung von verschränkten Photonenpaaren mit einer Pumpvorrichtung 2 und einer Verschränkungsvorrichtung 3. Zwischen der Pumpvorrichtung 2 und der Verschränkungsvorrichtung 3 ist ein Kombinator 4 angeordnet.
Im Ausführungsbeispiel der 1 weist die Pumpvorrichtung 2 drei Laser 5 auf, welche jeweils einen Laserstrahl 10 mit jeweils einer Pumpwellenlänge λ_n erzeugen. Die drei Laserstrahlen 10 mit den Pumpwellenlängen λ_n werden im Kombinator 4 zu einem Pumplaserstrahl 11 mit den mehreren spektral getrennten Pumpwellenlängen λ_n modifiziert. Der Kombinator 4 kann für die räumliche Kombination der mehreren Laserstrahlen 10 zu einem Pumplaserstrahl 11 beispielsweise als mehrere dichroitische Spiegel oder als Volumen Bragg Gitter ausgebildet sein, um die mehreren Laserstrahlen 10 zu dem Pumplaserstrahl 11 zu vereinen.
Die Verschränkungsvorrichtung 3 in 1 weist ein nicht-lineares Element 6 in einer entsprechenden Konfiguration (beispielsweise Sagnac-Konfiguration) zur Erzeugung verschränkter Photonenpaare auf, wobei im Ausführungsbeispiel der 1 durch den Pumplaserstrahl 11 mit mehreren spektral getrennten Pumpwellenlängen λ_n mehreren spektral getrennte verschränkte Photonenpaare erzeugt werden. Jedes Photonenpaar weist dabei ein Signal-Photon und ein Idler-Photon auf.
Im Ausführungsbeispiel der 1 ist in der Verschränkungsvorrichtung 3 ein Frequenz-Multiplexer 9 ausgebildet, um die Signal-Photonen und Idler-Photonen anhand ihrer Wellenlänge aufzuteilen. Der Frequenz-Multiplexer 9 kann auch nach der Verschränkungsvorrichtung 3 angeordnet sein.
Die 2 und 3 zeigen zwei weitere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Quelle 1, wobei sich die Ausführungsbeispiele der 2 und 3 von der 1 nur darin unterscheiden, dass in einem Laserstrahl 10 oder im Pumplaserstrahl 11 ein weiteres nicht-lineares Element 7 angeordnet ist, um die Verschränkungsvorrichtung 3 mit dem Pumplaserstrahl 11 mit mehreren spektral getrennten Pumpwellenlängen λ_n zu pumpen. Dabei wird durch das weitere nicht-lineare Element 7 durch einen nicht-linearen Effekt die Wellenlänge des einen Laserstrahls 10 oder des Pumplaserstrahls 11 verschoben. Das weitere nicht-lineare Element 7 kann auch in einem der anderen Laserstrahlen 10 oder in allen Laserstrahlen 10 angeordnet sein.
Zusätzlich ist in den Ausführungsbeispielen der 2 und 3, im Gegensatz zur 1, ein Filter 8 im Pumplaserstrahl 11 angeordnet, um die Intensität der mehreren spektral getrennten Pumpwellenlängen λ_n des Pumplaserstrahls 11 gleich oder annähernd gleich zu erzeugen. Es ist auch möglich, den Filter 8 jeweils in einem oder mehreren der Laserstrahlen 10 anzuordnen.
4 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel der spektral getrennten Pumpwellenlängen λ_n des Pumplaserstrahls 11 mit drei Pumpwellenlängen λ₁,λ₂ und λ₃. Dabei ist in 4 die Intensität der Pumpwellenlängen λ_n des Pumplaserstrahls 11 in Bezug auf die Frequenz aufgetragen. Die spektrale Trennung ist in diesem Ausführungsbeispiel derart, dass die Intensitätsverteilungen der einzelnen Pumpwellenlängen λ_n des Pumplaserstrahls 11 vollständig spektral voneinander getrennt sind.
5 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel der Intensitätsverteilung der spektral getrennten Signal-Photonen mit den Wellenlängen λs₁, λ_s2 und λs₃ und Idler-Photonen mit den Wellenlängen λ_i1, λ_i2 und λ_i3. Wie in 5 dargestellt, ist die Intensitätsverteilung der Signal-Photonen mit der Wellenlänge λ_sn im jeweiligen Signal-Teil-Wellenlängenbereiche Δλ_sn angeordnet, wobei hier die Signal-Teil-Wellenlängenbereiche Δλ_sn spektral getrennt nebeneinander angeordnet sind. Dies gilt in gleicher Weise für die Idler-Photon, indem wie in 5 dargestellt, die Intensitätsverteilung der Idler-Photonen mit der Wellenlänge λ_in im jeweiligen Idler-Teil-Wellenlängenbereiche Δλ_in angeordnet sind, wobei hier die Idler-Teil-Wellenlängenbereiche Δλ_in spektral getrennt nebeneinander angeordnet sind. Alle Signal-Teil-Wellenlängenbereiche Δλ_sn zusammen bilden den Signal-Wellenlängenbereich Δλ_{s_all}, und alle Idler-Teil-Wellenlängenbereiche Δλ_in bilden den Idler-Wellenlängenbereich Δλ_{i_all}.
Als ein nicht-exklusives Beispiel für die 4 und 5 werden hier drei Laserstrahlen 10 mit den Wellenlängen λ₁ = 531,8 nm, λ₂ = 531,9 nm und λ₃ = 532,0 nm dargestellt. Im Kombinator 4 werden die drei Laserstrahlen 10 zu dem Pumplaserstrahl 11 mit den drei Wellenlängen λ₁ = 531,8 nm, λ₂ = 531,9 nm und λ₃ = 532,0 nm kombiniert. Durch den Pumplaserstrahl mit den drei Wellenlängen λ₁, λ₂ und λ₃ werden in der Verschränkungsvorrichtung 3 jeweils ein verschränktes Photonenpaar erzeugt. Dabei weist für die Pumpwellenlänge λ₁ das Signal-Photon eine Wellenlänge von λ_s1 = 892,1 nm und das Idler-Photon eine Wellenlänge von λ_i1 = 1316 nm auf. Für die Pumpwellenlänge λ₂ weist das Signal-Photon eine Wellenlänge von λ_s2 = 894 nm und das Idler-Photon eine Wellenlänge von λ_i2 = 1312,7 nm auf. Für die Pumpwellenlänge λ₃ weist das Signal-Photon eine Wellenlänge von λ_s3 = 895,8 nm und das Idler-Photon eine Wellenlänge von λ_i3 = 1310 nm auf.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines Netzwerkssystems 20, mit einer Quelle 1, drei Empfängern 30, welche über jeweils einen Quantenkanal 40 mit der Quelle 1 verbunden sind.
Das Netzwerksystem 20 verbindet die Quelle 1 über jeweils einen Quantenkanal 40 mit jedem Empfänger 30. In der Quelle 1 werden wie vorangehend beschrieben verschränkte Photonenpaare erzeugt mit jeweils einem Signal-Photon und einem Idler-Photon. Zur Kommunikation zwischen zwei Empfängern 30 werden das Signal-Photon und das Idler-Photon eines Paares an jeweils einen Empfänger 30 durch die jeweiligen Quantenkanäle 40 übertragen.
Die Quelle 1 weist einen Frequenz-Multiplexer 9 auf, welcher die in der Quelle 1 erzeugten Photonen anhand ihrer Wellenlänge den Quantenkanälen 40 der Empfänger 30 zuordnet. Dabei erfolgt die Zuordnung derart, dass ein erster Empfänger 31 nur Signal-Photonen erhält, unabhängig davon, mit welchem weiteren Empfänger 30 dieser kommuniziert. Weiter erfolgt die Zuordnung derart, dass ein zweiter Empfänger 32 nur Idler-Photonen erhält, unabhängig davon, mit welchem weiteren Empfänger 30 dieser kommuniziert. Der weitere (dritte) Empfänger 33 in 6 erhält einmal Idler-Photonen, wenn dieser mit dem ersten Empfänger 31 kommuniziert und erhält Signal-Photonen, wenn dieser mit dem zweiten Empfänger 32 kommuniziert.
Dabei bilden die beiden Empfänger 30, welche sich die Photonen eines Paares teilen, jeweils ein Kommunikationspaar, im Beispiel der 6 bilden der erste Empfänger 31 mit dem zweiten Empfänger 32 ein erstes Kommunikationspaar 312, der zweite Empfänger 32 mit dem weiteren (dritten) Empfänger 33 ein zweites Kommunikationspaar 323 und der weitere (dritte) Empfänger 33 mit dem ersten Empfänger 21 ein drittes Kommunikationspaar 331.
Die Ausführungsbeispiele der 7 und 8 zeigen zwei Netzwerksysteme 20 mit vier Empfängern 30 (7) und mit sechs Empfängern 3 (8). Wie auch im Netzwerksystem 1 in 6 weisen beide Netzwerksysteme 20 jeweils einen ersten Empfänger 31, einen zweiten Empfänger 32 und mehrere weitere Empfänger 33 auf, wobei in 7 zwei weitere Empfänger 33 und in 8 vier weitere Empfänger 33 ausgebildet sind. Die Zuordnung der Photonen auf die Empfänger 30 erfolgt in den 7 und 8 analog zum Ausführungsbeispiel der 6, indem der erster Empfänger 31 nur Signal-Photonen erhält, unabhängig davon, mit welchen weiteren Empfängern 30 dieser kommuniziert. Weiter erfolgt die Zuordnung derart, dass der zweite Empfänger 32 nur Idler-Photonen erhält, unabhängig davon, mit welchen weiteren Empfängern 30 dieser kommuniziert. Die weiteren (dritten) Empfänger 33 in 7 und 8 erhalten Idler-Photonen oder Signal-Photonen, abhängig davon mit welchem Empfänger 30 diese kommunizieren.
9 zeigt ein Netzwerksystem 20 als schematische Darstellung, wobei der erste Empfänger 31 räumlich nah an der Quelle 1 angeordnet ist und der zweite Empfänger 32 räumlich weit entfernt von der Quelle 1 angeordnet ist. Dadurch werden die Vorteile der Aufteilung auf die Quantenkanäle 40 sowie der speziellen Erzeugung der Photonen im Signal- und Idler- Wellenlängenbereich deutlich, indem abhängig von der Wellenlänge der Photonen für den ersten Empfänger 31 kostengünstige Detektoren mit hoher Detektionseffizienz benutzt werden können und für den zweiten Empfänger 32 ein geringer Verlust in der Übertragung auch bei weiterer Entfernung ermöglicht wird.
Die 10 zeigt zwei Netzwerksysteme 20, welche sich den zweiten Empfänger 32 teilen. Dies bedeutet, dass der geteilte Empfänger 32 jeweils mit einem Quantenkanal 40 mit jeder Quelle 1 verbunden ist. Nun kann zur Kommunikation zwischen den Netzwerksystemen 20 hinweg über den zweiten Empfänger 32 eine Bell-State Messung, Swapping oder eine Quantenteleportation durchgeführt werden, wobei gleichzeitig die Vorteile des Netzwerksystems 20 erhalten bleiben.
Bezugszeichenliste

1: Quelle zur Erzeugung von verschränkten Photonenpaaren
2: Pumpvorrichtung
3: Verschränkungsvorrichtung
4: Kombinator
5: Laser
6: nicht-lineares Element
7: weiteres nicht-lineares Element
8: Filter
9: Frequenz-Multiplexer
10: Laserstrahl
11: Pumplaserstrahl
12: Signal-Photonen
13: Idler-Photonen
20: Netzwerksystem
30: Empfänger
31: erster Empfänger
32: zweiter Empfänger
33: weitere Empfänger
312: erstes Kommunikationspaar
323: zweites Kommunikationspaar
331: drittes Kommunikationspaar
40: Quantenkanal

Claims

Quelle (1) zum Erzeugen von verschränkten Photonenpaaren, vorzugsweise zur Verwendung zur Quantenkommunikation, Quantenkryptographie und/oder Quanteninformatik, wobei die Quelle (1) eine Pumpvorrichtung (2) und eine Verschränkungsvorrichtung (3) umfasst, und die Verschränkungsvorrichtung (3) ein nicht-lineares Element (6) aufweist, wobei das nicht-lineare Element (6) zur Erzeugung verschränkter Photonenpaare durch einen Pumplaserstrahl (11) gepumpt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpvorrichtung (2) mehrere Laser (5) aufweist, vorzugsweise n Laser (5) mit n = 2 bis m und m als natürliche Zahl größer 2, und wobei jeder Laser (5) einen Laserstrahl (10) mit jeweils einer Pumpwellenlänge λ_n erzeugt, wobei die Pumpwellenlängen λ_n der Laserstrahlen (10) jeweils spektral getrennt voneinander ausgebildet sind, und dass die Quelle (1) weiter einen Kombinator (4) aufweist, der zwischen der Pumpvorrichtung (2) und der Verschränkungsvorrichtung (3) angeordnet ist, wobei in dem Kombinator (4) die mehreren Laserstrahlen (10) mit jeweils der Pumpwellenlänge λ_n zu einem Pumplaserstrahl (11) mit den mehreren spektral getrennten Pumpwellenlängen λ_n kombiniert werden, und dass in der Verschränkungsvorrichtung (3) durch den Pumplaserstrahl (11) mit den mehreren spektral getrennten Pumpwellenlängen λ_n mehrere spektral getrennte verschränkte Photonenpaare erzeugt werden.
Quelle (1) zum Erzeugen von verschränkten Photonenpaaren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kombinator (4) als ein oder mehrere dichroitische Filter, und/oder ein oder mehrere dichroitische Spiegel, ein oder mehrere Interferenzfilter, ein oder mehrere Strahlteiler und/oder polarisierende Strahlteiler ausgebildet ist.
Quelle (1) zum Erzeugen von verschränkten Photonenpaaren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kombinator (4) als ein oder mehrere Gitter ausgebildet ist, vorzugsweise als ein oder mehrere Transmissions- oder Reflexions-Gitter, und/oder ein oder mehrere Volumen Bragg Gitter.
Quelle (1) zum Erzeugen von verschränkten Photonenpaaren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kombinator (4) weitere optische Mittel zur Beeinflussung der Intensitätsverteilung eines oder mehrerer der n Laserstrahlen (10) oder des Pumplaserstrahls (11) aufweist.
Quelle (1) zum Erzeugen von verschränkten Photonenpaaren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Mittel als Blenden, Filter, Reflektoren, Strahlformer (Beam Shaper), und/oder Linsensysteme ausgebildet sind.
Quelle (1) zum Erzeugen verschränkter Photonenpaare nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass vor und/oder nach dem Kombinator (4) ein oder mehrere weitere nicht-lineare Elemente (7) ausgebildet sind, damit durch einen nicht-linearen Prozess in diesen einen oder weiteren nicht-linearen Elementen (7) die Verschränkungsvorrichtung (3) mit dem Pumplaserstrahl (11) mit den Wellenlängen λ_n gepumpt wird.
Netzwerksystem umfassend eine Quelle (1) zum Erzeugen verschränkter Photonenpaare nach einem der Ansprüche 1 bis 6, einen Frequenz-Multiplexer (9), ein Netzwerk (20) aus Quantenkanälen (40) und mehrere Empfänger (30), wobei die Quelle (1) verschränkte Photonenpaare mit jeweils einem Signal-Photon und einem Idler-Photon erzeugt, und das Signal-Photon eine Wellenlänge in einem Signal-Wellenlängenbereich Δλ_{s_all} aufweist und das Idler-Photon eine Wellenlänge in einem Idler-Wellenlängenbereich Δλ_{i_all} aufweist, und wobei der Frequenz-Multiplexer (9) die Signal- und Idler-Photonen anhand ihrer Wellenlänge den Quantenkanälen (40) zuordnet, und wobei jeder Empfänger (30) ein Detektionsmodul mit mindesten einem Detektor aufweist zur Detektion der Photonen zur Quantenkommunikation, und dass der Signal-Wellenlängenbereich Δλ_{s_all} und der Idler-Wellenlängenbereich Δλ_{i_all} spektral getrennt voneinander ausgebildet sind, und dass das Netzwerk zwischen der Quelle (1) und jedem Empfänger (30) zur Übertragung der Photonen einen Quantenkanal (40) aufweist, und dass die Quantenkanäle (40) derart dem Frequenz-Multiplexer (9) zugeordnet sind, dass an einen ersten Empfänger (31) nur Signal-Photonen zur Kommunikation mit allen anderen Empfängern übertragen werden, und an einen zweiten Empfänger (32) nur Idler-Photonen zur Kommunikation mit allen anderen Empfängern übertragen werden, und an die weiteren Empfänger (33) sowohl Signal-Photonen als auch Idler-Photonen zur Kommunikation mit allen anderen Empfängern übertragen werden.
Verfahren zum Erzeugen von verschränkten Photonenpaaren, vorzugsweise zur Verwendung zur Quantenkommunikation, Quantenkryptographie und/oder Quanteninformatik, umfassend eine Pumpvorrichtung und eine Verschränkungsvorrichtung, umfassend die Schritte: i) Erzeugen mehrerer Laserstrahlen (10), vorzugsweise in der Pumpvorrichtung; ii) Modifizieren der Laserstrahlen (10) zu einem Pumplaserstrahl (11); iii) Pumpen eines nicht-linearen Elements (6) mit dem Pumplaserstrahl (11), um verschränkte Photonenpaare zu erzeugen, vorzugsweise in der Verschränkungsvorrichtung (3), dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt i) n Laserstrahlen (10) erzeugt werden, mit n = 2 bis m und m als natürliche Zahl größer 2, vorzugsweise durch n Laser, wobei jeder Laserstrahl (10) eine Pumpwellenlänge An aufweist, wobei die Pumpwellenlängen λ_n der Laserstrahlen (10) spektral getrennt voneinander ausgebildet sind, und dass in Schritt ii) die n Laserstrahlen (10) mit jeweils der Pumpwellenlänge λ_n zu dem einen Pumplaserstrahl (11) mit mehreren Pumpwellenlängen λ_n kombiniert werden, vorzugweise durch einen Kombinator (4), und dass in Schritt iii) durch den Pumplaserstrahl (11) mit den mehreren spektral getrennten Pumpwellenlängen λ_n in dem einen nicht-linearen Element (6) mehrere spektral getrennte verschränkte Photonenpaare erzeugt werden.
Verfahren zum Erzeugen von verschränkten Photonenpaaren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Kombination der n Laserstrahlen (10) im Kombinator (4) zu dem einen Pumplaserstrahl (11) die mehreren Laserstrahlen (10) räumlich zu einem Pumplaserstrahl (11) kombiniert werden.
Verfahren zum Erzeugen von verschränkten Photonenpaaren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Kombination der n Laserstrahlen (10) im Kombinator (4) zu dem einen Pumplaserstrahl (11) die Intensitätsverteilung der mehreren Laserstrahlen (10) räumlich zu einer Intensitätsverteilung des Pumplaserstrahls (11) kombiniert werden.
Verfahren zum Erzeugen von verschränkten Photonenpaaren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren spektral getrennten Pumpwellenlängen λ_n mindestens 0,02 nm spektral getrennt voneinander ausgebildet sind, vorzugsweise mindestens 0,1 nm, höchst vorzugsweise mindestens 0,5 nm, oder dass die Pumpwellenlängen λ_n vollständig spektral voneinander getrennt ausgebildet sind, oder dass die spektrale Trennung mindestens einer freien Spektralbreite der Bandbreite des Lasers entspricht, vorzugsweise mindestens fünf Spektralbreiten der Bandbreite, höchst vorzugsweise mindestens zehn Spektralbreiten der Bandbreite.
Verfahren zum Erzeugen von verschränkten Photonenpaaren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass jedes verschränkte Photonenpaar ein Signal-Photon mit der Wellenlänge λ_sn und ein Idler-Photon mit der Wellenlänge λ_in aufweist, welche durch das Pumpen des nicht-linearen Elements (6) mit der Pumpwellenlänge λ_n erzeugt werden.
Verfahren zum Erzeugen von verschränkten Photonenpaaren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass einerseits die Signal- und Idler-Photonen eines Photonenpaares unterschiedliche Wellenlängen aufweisen, d.h. es gilt λ_sn ≠ λ_in unabhängig mit welcher Pumpwellenlänge λ_n das Photonenpaar erzeugt wurde, und dass für die mehreren spektral getrennten verschränkten Photonenpaare sich die Wellenlängen der Signal-Photonen, erzeugt durch die verschiedenen Pumpwellenlängen λ_n, spektral voneinander unterscheiden, d.h. es gilt λ_sn ≠ λ_s(n+1), und dass für die mehreren spektral getrennten verschränkten Photonenpaare sich die Wellenlängen der Idler-Photonen, erzeugt durch die verschiedenen Pumpwellenlängen λ_n, spektral voneinander unterscheiden, d.h. es gilt λ_in ≠ λ_i(n+1).
Verfahren zum Erzeugen von verschränkten Photonenpaaren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl ein Signal-Wellenlängenbereich Δλ_{s_all} vom Idler-Wellenlängenbereich Δλ_{i_all} spektral getrennt ausgebildet ist, und auch alle Signal-Teil-Wellenlängenbereiche Δλ_sn spektral getrennt voneinander ausgebildet sind, und alle Idler-Teil-Wellenlängenbereiche Δλ_in spektral getrennt voneinander ausgebildet sind.
Verfahren zur Quantenkommunikation, vorzugsweise zur Verwendung für optische Kommunikation, Quantenkryptographie und/oder Quanteninformatik, zwischen mindestens drei Empfängern (30), vorzugsweise zwischen i Empfängern (30) mit i = 3 bis p, umfassend eine Quelle (1), einen Frequenz-Multiplexer (9), die mehreren Empfänger (30) und ein Netzwerk (20) aus Quantenkanälen (40), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Erzeugung mehrerer spektral getrennter verschränkter Photonenpaare nach einem der Ansprüche 8 bis 14 in der Quelle (1) mit jeweils einem Signal-Photon und einem Idler-Photon, wobei das Signal-Photon in einem Signal-Wellenlängenbereich Δλ_{s_all} erzeugt wird und das Idler-Photon in einem Idler-Wellenlängenbereich Δλ_{i_all} erzeugt wird; b) Zuordnen der Signal- und Idler-Photonen anhand ihrer Wellenlänge auf die Quantenkanäle (40) in dem Frequenz-Multiplexer (9); c) Übertragen der Photonenpaare über die Quantenkanäle (40) zu den Empfängern (30); d) Detektieren der Photonenpaare bei den Empfängern (30) zur Quantenkommunikation, dabei ist vorgesehen, dass die in Schritt a) erzeugten Photonen in einem spektral voneinander getrennten Signal-Wellenlängenbereich Δλ_{s_all} und Idler-Wellenlängenbereich Δλ_{i_all} erzeugt werden, und dass in Schritt b) die Photonen den Quantenkanälen (40) derart zugeordnet werden, dass an einen ersten Empfänger (31) in Schritt c) nur Signal-Photonen zur Kommunikation mit allen anderen Empfängern übertragen werden, und an einen zweiten Empfänger (32) in Schritt c) nur Idler-Photonen zur Kommunikation mit allen anderen Empfängern übertragen werden, und an die weiteren Empfänger (33) in Schritt c) sowohl Signal-Photonen als auch Idler-Photonen zur Kommunikation mit allen anderen Empfängern übertragen werden, und dass alle Empfänger (30) über jeweils einen Quantenkanal (40) mit der Quelle (1) verbunden sind.