DE102022118548B3 - Method and device for generating entangled photons - Google Patents
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Abstract
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Erzeugung von verschränkten Photonen (12), vorzugsweise zur Verwendung für optische Kommunikation, Quantenkryptographie und/oder Quanteninformatik, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:i) Erzeugung eines Pumpstrahls (11), vorzugsweise in einer Pumpvorrichtung (1),ii) Erzeugung von verschränkten Photonen (12) durch Pumpen eines nicht-linearen Verschränkungs-Elements (4) mit dem Pumpstrahl (11),iii) Aufteilung der verschränkten Photonen anhand ihrer Wellenlänge auf mehrere Ausgänge einer Wellenlängenselektionsvorrichtung (5).Wesentlich dabei ist, dass in Schritt i) zuerst ein Photonenstrahl (10) durch verstärkte spontane Emission erzeugt wird, vorzugsweise in einer Photonenquelle (2) der Pumpvorrichtung (1), unddass in Schritt i) anschließend der Photonenstrahl (10) zur Erzeugung des Pumpstrahls (11) gefiltert wird, vorzugsweise in einer Filtervorrichtung (3) der Pumpvorrichtung (1).What is proposed is a method for generating entangled photons (12), preferably for use in optical communication, quantum cryptography and/or quantum information technology, the method comprising the following steps: i) generating a pump beam (11), preferably in a pump device (1), ii) generation of entangled photons (12) by pumping a non-linear entanglement element (4) with the pump beam (11), iii) distribution of the entangled photons based on their wavelength into several outputs of a wavelength selection device (5). What is essential here is that that in step i) a photon beam (10) is first generated by amplified spontaneous emission, preferably in a photon source (2) of the pump device (1), and that in step i) the photon beam (10) is then filtered to generate the pump beam (11). is, preferably in a filter device (3) of the pump device (1).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von verschränkten Photonen nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Erzeugung von verschränkten Photonen nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 14.The invention relates to a method for generating entangled photons according to the features of the preamble of
Verschränkte Photonen werden für die Quantenkommunikation, beispielsweise zum Quantenschlüsselaustausch (quantum key distribution QKD) verwendet. Quantenkommunikation und Quantenkryptographie sind einer klassischen Kommunikation und klassischen Verschlüsselung weit überlegen, da die Sicherheit dieser Art der Kommunikation und Verschlüsselung nicht auf einer mathematischen Berechnung basiert, sondern auf physikalischen Naturgesetzen des Verfahrens und des Systems, wie der Verschränkung der Photonenpaare.Entangled photons are used for quantum communication, for example for quantum key distribution (QKD). Quantum communication and quantum cryptography are far superior to classical communication and classical encryption because the security of this type of communication and encryption is not based on a mathematical calculation, but on physical natural laws of the process and the system, such as the entanglement of photon pairs.
In bekannten Quellen zur Erzeugung verschränkter Photonen werden meist polarisationsverschränkte Photonenpaare durch das Pumpen eines nicht-linearen Elements mit einem Pumplaserstrahl erzeugt. Zum Pumpen werden dafür longitudinal-einzelmodige Laser mit hoher räumlicher Kohärenz genutzt, die eine hohe Wellenlängenstabilität aufweisen und dadurch entsprechend kostenintensiv sind. Diese Laser werden verwendet, um eine stabile Quelle zu ermöglichen, d.h. sowohl zeitlich stabil in Bezug auf die Erzeugungsrate als auch in Bezug auf eine Wellenlängenstabilität der erzeugen verschränkten Photonen. Die Wellenlänge der verschränkten Photonen wird durch den Pumplaserstrahl und die Eigenschaften des nicht-linearen Elements beeinflusst. Da sich die Eigenschaften des nicht-linearen Elements normalerweise nicht sprunghaft ändern, wird in bekannten Quellen für eine stabile Erzeugung von verschränkten Photonen auf einen stabilen longitudinal-einzelmodigen Pumplaser mit hoher räumlicher Kohärenz gesetzt.In known sources for generating entangled photons, polarization-entangled photon pairs are usually generated by pumping a non-linear element with a pump laser beam. Longitudinal single-mode lasers with high spatial coherence are used for pumping, which have high wavelength stability and are therefore correspondingly cost-intensive. These lasers are used to enable a stable source, i.e. both stable in time in terms of generation rate and in terms of wavelength stability of the entangled photons generated. The wavelength of the entangled photons is influenced by the pump laser beam and the properties of the nonlinear element. Since the properties of the non-linear element do not normally change abruptly, known sources rely on a stable longitudinal single-mode pump laser with high spatial coherence for stable generation of entangled photons.
In bekannte Quellen werden verschränkte Photonenpaare an zwei Empfänger gesendet. Bei zwei Empfängern ist eine wirtschaftliche Übertragungsrate mit bekannten Quellen für verschränkte Photonen möglich. Zur Quantenkommunikation oder Quantenkryptographie zwischen mehr als zwei Empfängern ist in bekannten Quellen die Übertragungsrate deutlich verringert, da die verschränkten Photonenpaare in diesen Quellen durch spektrales Multiplexen auf die mehreren Empfänger aufgeteilt werden. Dies führt zu einer nicht mehr wirtschaftlichen Reduzierung der Übertragungsrate.In known sources, entangled pairs of photons are sent to two receivers. With two receivers, an economical transmission rate is possible with known sources of entangled photons. For quantum communication or quantum cryptography between more than two receivers, the transmission rate in known sources is significantly reduced because the entangled photon pairs in these sources are divided among the multiple receivers by spectral multiplexing. This leads to a reduction in the transmission rate that is no longer economical.
Aus dem Dokument
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstigeres, stabiles, einfach zu justierendes und flexibles Verfahren zur Erzeugung von verschränkten Photonenpaaren und eine entsprechende Vorrichtung bereitzustellen.The present invention is based on the object of providing a more cost-effective, stable, easy-to-adjust and flexible method for generating entangled photon pairs and a corresponding device.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Erzeugung von verschränkten Photonen nach den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. The object is achieved according to the invention by a method for generating entangled photons according to the features of
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Erzeugung von verschränkten Photonen vorgeschlagen, vorzugsweise zur Verwendung für optische Kommunikation, Quantenkryptographie und/oder Quanteninformatik, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- i) Erzeugung eines Pumpstrahls, vorzugsweise in einer Pumpvorrichtung,
- ii) Erzeugung von verschränkten Photonen durch Pumpen eines nicht-linearen Verschränkungs-Elements mit dem Pumpstrahl,
- iii) Aufteilung der verschränkten Photonen anhand ihrer Wellenlänge auf mehrere Ausgänge einer Wellenlängenselektionsvorrichtung. Wesentlich dabei ist, dass in Schritt i) zuerst ein Photonenstrahl durch verstärkte spontane Emission erzeugt wird, vorzugsweise in einer Photonenquelle der Pumpvorrichtung, und
- i) generating a pump jet, preferably in a pump device,
- ii) generation of entangled photons by pumping a non-linear entanglement element with the pump beam,
- iii) Division of the entangled photons based on their wavelength into several outputs of a wavelength selection device. What is essential here is that in step i) a photon beam is first generated by amplified spontaneous emission, preferably in a photon source of the pump device, and
Weiter wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Erzeugung von verschränkten Photonen nach den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.Furthermore, the object is achieved according to the invention by a device for generating entangled photons according to the features of
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Erzeugung von verschränkten Photonen vorgeschlagen, vorzugsweise zur Verwendung für optische Kommunikation, Quantenkryptographie und/oder Quanteninformatik, wobei die Vorrichtung eine Pumpvorrichtung zur Erzeugung eines Pumpstrahls, ein nicht-lineares Verschränkungs-Element und eine Wellenlängenselektionsvorrichtung aufweist, und
das nicht-lineare Verschränkungs-Element nach der Pumpvorrichtung angeordnet ist zur Erzeugung von verschränkten Photonen durch Pumpen des nicht-linearen Verschränkungs-Elements mit dem Pumpstrahl, und
die Wellenlängenselektionsvorrichtung nach dem nicht-linearen Verschränkungs-Element angeordnet ist zur Aufteilung der verschränkten Photonen anhand ihrer Wellenlänge auf mehrere Ausgänge der Wellenlängenselektionsvorrichtung, und
die Pumpvorrichtung eine Photonenquelle und eine Filtervorrichtung aufweist. Wesentlich dabei ist, dass die Photonenquelle ein oder mehrere optisch aktive Elemente und/oder eine Superlumineszensdiode SLED aufweist zur Erzeugung eines Photonenstrahls durch verstärkte spontane Emission, und dass die Filtervorrichtung einen oder mehrere Filter aufweist zur Filterung des Photonenstrahls zur Erzeugung des Pumpstrahls.According to the invention, a device for generating entangled photons is proposed, preferably for use in optical communication, quantum cryptography and/or quantum computing, wherein the device has a pump device for generating a pump beam, a non-linear entanglement element and a wavelength selection device, and
the non-linear entanglement element is arranged after the pump device for generating entangled photons by pumping the non-linear entanglement element with the pump beam, and
the wavelength selection device is arranged after the non-linear entanglement element for dividing the entangled photons based on their wavelength into several outputs of the wavelength selection device, and
the pump device has a photon source and a filter device. What is essential here is that the photon source has one or more optically active elements and/or a superluminescent diode SLED for generating a photon beam through amplified spontaneous emission, and that the filter device has one or more filters for filtering the photon beam to generate the pump beam.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht in der Erzeugung des Photonenstrahls durch verstärkte spontane Emission (Amplified spontaneous emission ASE) und der anschließenden Filterung auf die gewünschte Wellenlänge und spektrale Breite des Pumpstrahls, welcher anschließend zur Erzeugung von verschränkten Photonen genutzt wird.The advantage of the method according to the invention and the device according to the invention lies in the generation of the photon beam by amplified spontaneous emission (Amplified spontaneous emission ASE) and the subsequent filtering to the desired wavelength and spectral width of the pump beam, which is then used to generate entangled photons.
Der Vorteil liegt darin, dass verstärkte spontane Emission sehr robust ist gegenüber äußeren Einflüssen, d.h. eine thermische oder mechanische Stabilisierung der Vorrichtung und des Verfahrens ist nicht notwendig.The advantage is that enhanced spontaneous emission is very robust against external influences, i.e. thermal or mechanical stabilization of the device and method is not necessary.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die Filtervorrichtung des Photonenstrahls die Wellenlänge des Pumpstrahls derart angepasst werden kann, dass innerhalb des Spektrums des Photonenstrahls der Pumpstrahl so gewählt und erzeugt werden kann, um die gewünschten Wellenlängen der verschränkten Photonen zu erzeugen.A further advantage is that the wavelength of the pump beam can be adjusted by the filter device of the photon beam in such a way that the pump beam can be selected and generated within the spectrum of the photon beam in order to produce the desired wavelengths of the entangled photons.
Im Gegensatz dazu weist ein Laser ein aktives Medium, eine Pumpe und einen Resonator auf. In dem Laser ist zur Erzeugung des Laserstahls durch Verstärkung der stimulierten Emission der Resonator zwingend notwendig. Wesentlich zur Erzeugung des Laserstrahls ist das Überschreiten der Laserschwelle durch Rückkopplung im Resonator und die dadurch erfolgende Unterdrückung der verstärkten spontanen Emission. Durch diese Rückkopplung wir auch das gewünschte schmale Spektrum der Wellenlänge des Laserstrahls erhalten. Eine verstärkte spontane Emission ist in einem Laser unerwünscht, da dies zu Leistungsverlusten und Leistungsschwankungen führt. Um einen stabilen longitudinal-einzelmodigen Laserstrahl mit hoher räumlicher Kohärenz und hoher zeitlicher Kohärenz zu erzeugen, ist eine thermische und mechanische Stabilisierung notwendig.In contrast, a laser has an active medium, a pump and a resonator. In the laser, the resonator is absolutely necessary to generate the laser beam by amplifying the stimulated emission. Essential to generating the laser beam is the exceeding of the laser threshold through feedback in the resonator and the resulting suppression of the amplified spontaneous emission. Through this feedback we also obtain the desired narrow spectrum of the wavelength of the laser beam. Increased spontaneous emission is undesirable in a laser because it leads to power losses and power fluctuations. In order to generate a stable longitudinal single-mode laser beam with high spatial coherence and high temporal coherence, thermal and mechanical stabilization is necessary.
Verstärkte spontane Emission bedeutet, ein durch spontane Emission erzeugter Photonenstrahl, welcher durch stimulierte Emission im optisch aktiven Medium optisch verstärkt wurde. Der durch spontane Emission erzeugte Photonenstrahl besitzt räumliche Kohärenz, aber nur geringe zeitliche Kohärenz. Der Vorteil der verstärkten spontanen Emission liegt in der größeren optischen Bandbreite der emittierten Strahlung, d.h. der größeren spektralen Breite des Photonenstrahls.Amplified spontaneous emission means a photon beam generated by spontaneous emission, which has been optically amplified by stimulated emission in the optically active medium. The photon beam generated by spontaneous emission has spatial coherence but only low temporal coherence. The advantage of enhanced spontaneous emission lies in the larger optical bandwidth of the emitted radiation, i.e. the larger spectral width of the photon beam.
Es kann vorgesehen sein, dass in Schritt i) der Photonenstrahl durch verstärkte spontane Emission in einen oder mehreren optisch aktiven Elementen und/oder in einer Superlumineszensdiode SLED erzeugt wird.It can be provided that in step i) the photon beam is generated by amplified spontaneous emission in one or more optically active elements and/or in a superluminescent diode SLED.
Es kann vorgesehen sein, dass der Photonenstrahl durch verstärkte spontane Emission erzeugt wird, indem ein Laserprozess in dem einen oder den mehreren optisch aktiven Elementen und/oder der Superlumineszensdioden SLED unterdrückt und/oder verhindert wird. Es kann vorgesehen sein, dass zur Erzeugung des Photonenstrahls eine Laserschwelle nicht überschritten wird. Für einen Laserprozess, d.h. dem Überschreiten der Laserschwelle, ist neben einem aktiven Medium und einer Pumpe ein Resonator notwendig. Im Gegensatz dazu weist das eine oder die mehreren optisch aktiven Elemente und/oder die Superlumineszensdioden SLED keinen Resonator auf oder sind nicht in einem Resonator angeordnet.It can be provided that the photon beam is generated by amplified spontaneous emission by suppressing and/or preventing a laser process in the one or more optically active elements and/or the superluminescent diodes SLED. It can be provided that a laser threshold is not exceeded in order to generate the photon beam. For a laser process, i.e. exceeding the laser threshold, a resonator is necessary in addition to an active medium and a pump. In contrast, the one or more optically active elements and/or the superluminescent diodes SLED do not have a resonator or are not arranged in a resonator.
Es kann vorgesehen sein, dass die Unterdrückung und/oder die Verhinderung des Laserprozesses durch geringe Reflektion und/oder hohe Transmission und/oder Streuung, vorzugsweise Rayleigh-Streuung, und/oder durch optische Isolation des Photonenstrahls erfolgt. Es kann vorgesehen sein, dass zur Unterdrückung und/oder Verhinderung des Laserprozesses ein oder mehrere optische Elemente mit geringer Reflektion und/oder ein oder mehrere optische Elemente mit hoher Transmission und/oder ein oder mehrere optische Elemente zur Streuung, vorzugsweise Rayleigh-Streuung, und/oder ein oder mehrere optische Isolatoren in der Photonenquelle angeordnet sind, vorzugsweise im Strahlengang des Photonenstrahls angeordnet sind. Es kann vorgesehen sein, dass die Unterdrückung und/oder die Verhinderung des Laserprozesses durch optische Schalter erfolgt, vorzugsweise bei einem gepulsten Photonenstrahl. Es kann vorgesehen sein, dass zur Unterdrückung und/oder Verhinderung des Laserprozesses ein oder mehrere optische Schalter, vorzugsweise elektrooptische Modulatoren und/oder akusto-optische Modulatoren in der Photonenquelle angeordnet sind, vorzugsweise im Strahlengang des Photonenstrahls angeordnet sind, vorzugsweise für einen gepulsten Photonenstrahl.It can be provided that the suppression and/or prevention of the laser process takes place through low reflection and/or high transmission and/or scattering, preferably Rayleigh scattering, and/or through optical isolation of the photon beam. It can be provided that, to suppress and/or prevent the laser process, one or more optical elements with low reflection and/or one or more optical elements with high transmission and/or one or more optical elements for scattering, preferably Rayleigh scattering, and / or one or more optical isolators are arranged in the photon source, preferably arranged in the beam path of the photon beam. It can be provided that the laser process is suppressed and/or prevented by optical switches, preferably with a pulsed photon beam. It can be provided that in order to suppress and/or prevent the laser process, one or more optical switches, preferably electro-optical modulators and/or acousto-optical modulators, are arranged in the photon source, preferably arranged in the beam path of the photon beam, preferably for a pulsed photon beam.
Es kann vorgesehen sein, dass in Schritt i) das eine oder die mehreren optisch aktiven Elemente gepumpt werden, zur Erzeugung des Photonenstrahls durch verstärkte spontane Emission. Das Pumpen kann optisch oder elektronisch erfolgen. Es kann vorgesehen sein, dass die Photonenquelle einen Photonenstrahl-Pumplaser oder eine Photonenstrahl-Pumpelektronik aufweist, welche das eine oder die mehreren optisch aktiven Elemente pumpt, zur Erzeugung des Photonenstrahls durch verstärkte spontane Emission.It can be provided that in step i) the one or more optically active elements are pumped to generate the photon beam through enhanced spontaneous emission. Pumping can be done optically or electronically. It may be provided that the photon source has a photon beam pump laser or photon beam pump electronics that pumps the one or more optically active elements to generate the photon beam by amplified spontaneous emission.
Es kann vorgesehen sein, dass der Photonenstrahl-Pumplaser zum Pumpen des einen oder der mehreren optisch aktiven Elemente zeitlich instabil und/oder spektral multi-modig ausgebildet ist. Der Vorteil einer derartigen Ausführung liegt darin, dass der derartige Photonenstrahl-Pumplaser sehr kostengünstig im Gegensatz zu zeitlich stabilen und/oder spektral einzel-modigen Lasern ist.It can be provided that the photon beam pump laser is designed to be temporally unstable and/or spectrally multi-mode for pumping the one or more optically active elements. The advantage of such an embodiment is that the photon beam pump laser of this type is very cost-effective in contrast to temporally stable and/or spectrally single-mode lasers.
Es kann vorgesehen sein, dass das eine oder die mehreren optisch aktiven Elemente als Festkörper, Flüssigkeit und/oder Gas ausgebildet ist. Es kann vorgesehen sein, dass das eine oder die mehreren optisch aktiven Elemente als dotierter Festkörper und/oder dotierte Faser, vorzugsweise seltenerddotierte Faser ausgebildet ist. Der Vorteil eines dotierten Festkörpers und/oder einer dotierten Faser ist die Robustheit und die Widerstandsfähigkeit gegenüber äußeren Einflüssen. Der Vorteil von dotierten Fasern ist die einfache Integration in ein optisches System durch Fasersteckverbindungen, ohne dass eine Justage des Systems notwendig ist.It can be provided that the one or more optically active elements are designed as a solid, liquid and/or gas. It can be provided that the one or more optically active elements are designed as a doped solid and/or doped fiber, preferably a rare earth-doped fiber. The advantage of a doped solid and/or a doped fiber is the robustness and resistance to external influences. The advantage of doped fibers is that they are easy to integrate into an optical system using fiber connectors without the need to adjust the system.
Es kann vorgesehen sein, dass der Photonenstrahl verstärkt wird durch mehrere optisch aktive Elemente. Es kann vorgesehen sein, dass mehrere optisch aktive Elemente in der Pumpvorrichtung ausgebildet sind, zur Verstärkung des Photonenstrahls. Es kann vorgesehen sein, dass mehrere optisch aktive Elemente nebeneinander ausgebildet sind, zur Erzeugung mehrerer Photonenstrahlen, vorzugsweise dass die mehreren Photonenstrahlen anschließend zu einem Photonenstrahl gebündelt werden.It can be provided that the photon beam is amplified by several optically active elements. It can be provided that several optically active elements are formed in the pump device to amplify the photon beam. It can be provided that several optically active elements are formed next to one another in order to generate several photon beams, preferably that the several photon beams are then bundled into one photon beam.
Es kann vorgesehen sein, dass der Photonenstrahl in Schritt i) mit einem breiten Wellenlängenspektrum erzeugt wird, vorzugsweise dass das breite Wellenlängenspektrum des Photonenstrahls mindestens 1 nm breit ist, vorzugsweise mindestens 10 nm, höchst vorzugsweise mindestens 30 nm. Der Vorteil eines derart breiten Wellenlängenspektrums des Photonenstrahls liegt darin, dass zusammen mit der anschließenden Filterung die Erzeugung des Pumpstrahls äußerst robust gegenüber äußeren Einflüssen ist. Wesentlich ist, dass das Wellenlängenspektrum des Photonenstrahls alle daraus gefilterten Wellenlängen des Pumpstrahls enthält.It can be provided that the photon beam in step i) is generated with a broad wavelength spectrum, preferably that the broad wavelength spectrum of the photon beam is at least 1 nm wide, preferably at least 10 nm, most preferably at least 30 nm. The advantage of such a broad wavelength spectrum The reason for the photon beam is that, together with the subsequent filtering, the generation of the pump beam is extremely robust against external influences. It is essential that the wavelength spectrum of the photon beam contains all of the filtered wavelengths of the pump beam.
Es kann vorgesehen sein, dass das Wellenlängenspektrum des Photonenstrahls im Bereich zwischen 250 nm und 600 nm ausgebildet ist, oder im Bereich zwischen 600 nm und 1200 nm ausgebildet ist.It can be provided that the wavelength spectrum of the photon beam is formed in the range between 250 nm and 600 nm, or is formed in the range between 600 nm and 1200 nm.
Es kann vorgesehen sein, dass zur Filterung in Schritt i) ein oder mehrere Filter verwendet werden. Es kann vorgesehen sein, dass die Filtervorrichtung ein oder mehrere Filter aufweist.It can be provided that one or more filters are used for filtering in step i). It can be provided that the filter device has one or more filters.
Es kann vorgesehen sein, dass der eine oder die mehreren Filter als Freistrahl-Elemente und/oder als Faser-Elemente ausgebildet sind.It can be provided that the one or more filters are designed as free-jet elements and/or as fiber elements.
Es kann vorgesehen sein, dass die Filterung durch Reflektion und/oder Transmission erfolgt. Es kann vorgesehen sein, dass der eine oder die mehreren Filter als Reflexionsfilter und/oder als Transmissionsfilter und/oder als Faser-Bragg Filter und/oder als Etalon und/oder als Volumen-Bragg Gitter und/oder als dielektrisches Reflexionsgitter und/oder als dielektrisches Transmissionsgitter und/oder als Prisma ausgebildet sind.It can be provided that the filtering takes place through reflection and/or transmission. It can be provided that the one or more filters are used as a reflection filter and/or as a transmission filter and/or as a fiber Bragg filter and/or as an etalon and/or as a volume Bragg grating and/or as a dielectric reflection grating and/or as dielectric transmission grid and / or are designed as a prism.
Es kann vorgesehen sein, dass die Filterung in Schritt i) stufenweise durch mehrere nacheinander durchgeführte Filterschritte erfolgt, vorzugsweise dass die spektrale Breite des Photonenstrahls schrittweise in den mehreren nacheinander angeordneten Filtern reduziert wird. Es kann vorgesehen sein, dass in der Filtervorrichtung mehrere Filter nacheinander angeordnet sind, vorzugsweise dass die Filter mit einer schrittweise reduzierten spektralen Breite ausgebildet sind.It can be provided that the filtering in step i) is carried out step by step by several filter steps carried out one after the other, preferably that the spectral width of the photon beam is reduced step by step in the several filters arranged one after the other. It can be provided that several filters are arranged one after the other in the filter device, preferably that the filters are designed with a gradually reduced spectral width.
Es kann vorgesehen sein, dass der eine oder die mehreren Filter der Filtervorrichtung in und/oder nach der Photonenquelle angeordnet sind. Es kann vorgesehen sein, dass bei einer Filtervorrichtung mit mehreren Filtern einzelne Filter in der Photonenquelle angeordnet sind und weitere Filter nach der Photonenquelle angeordnet sind. Es kann vorgesehen sein, dass der eine oder die mehreren Filter im optisch aktiven Element und/oder in der Superlumineszensdiode SLED und/oder nach dem optisch aktiven Element und/oder nach der Superlumineszensdiode SLED angeordnet sind.It can be provided that the one or more filters of the filter device are arranged in and/or after the photon source. It can be provided that in a filter device with several filters, individual filters are arranged in the photon source and further filters are arranged after the photon source. It can be provided that the one or more filters are arranged in the optically active element and/or in the superluminescent diode SLED and/or after the optically active element and/or after the superluminescent diode SLED.
Es kann vorgesehen sein, dass der Photonenstrahl in Schritt i) derart gefiltert wird, dass der Pumpstrahl ein schmales Wellenlängenspektrum aufweist, vorzugsweise dass das schmale Wellenlängenspektrum des Pumpstrahls kleiner 1 nm, vorzugsweise kleiner 50 pm, höchst vorzugsweise kleiner 1 pm ausgebildet ist.It can be provided that the photon beam is filtered in step i) such that the pump beam has a narrow wavelength spectrum, preferably that the narrow wavelength spectrum of the pump beam is smaller than 1 nm, preferably smaller than 50 pm, most preferably smaller than 1 pm.
Es kann vorgesehen sein, dass in Schritt i) ein Pumpstrahl mit einer Wellenlänge λn erzeugt wird, mit n = 1. Dies kann auch als Einzel-Linien Quelle bezeichnet werden. Die einzelne Linie bezieht sich auf die eine Wellenlänge λn mit n = 1 des Pumpstrahls.It can be provided that in step i) a pump beam with a wavelength λ n is generated, with n = 1. This can also be done as individual lines Source can be referred to. The individual line refers to the one wavelength λ n with n = 1 of the pump beam.
Es kann vorgesehen sein, dass in Schritt i) ein Pumpstrahl mit mehreren Wellenlängen λn erzeugt wird, mit n = 1, ..., i und i = 2, 3, .... Dies kann auch als Multi-Linien Quelle bezeichnet werden. Die mehreren Linien beziehen sich auf die mehreren Wellenlängen λn mit n = 1, ..., i und i = 2, 3, .... des Pumpstrahls.It can be provided that in step i) a pump beam with several wavelengths λ n is generated, with n = 1, ..., i and i = 2, 3, .... This can also be referred to as a multi-line source become. The multiple lines refer to the multiple wavelengths λ n with n = 1, ..., i and i = 2, 3, .... of the pump beam.
Es kann vorgesehen sein, dass durch den einen oder die mehreren Filter der Laserprozess in dem einen oder mehreren optisch aktiven Elementen und/oder der Superlumineszensdiode SLED unterdrückt wird. Es kann vorgesehen sein, dass die optischen Komponenten zur Unterdrückung und/oder Verhinderung des Laserprozesses gleichzeitig als Filter ausgebildet sind.It can be provided that the laser process in the one or more optically active elements and/or the superluminescent diode SLED is suppressed by the one or more filters. It can be provided that the optical components for suppressing and/or preventing the laser process are simultaneously designed as filters.
Es kann vorgesehen sein, dass die Photonenquelle und die Filtervorrichtung durch optische Komponenten miteinander verbunden sind, vorzugsweise durch ein oder mehrere Fasern und/oder ein oder mehrere Strahlteiler und/oder ein oder mehrere Zirkulatoren und/oder ein oder mehrere Wellenselektionselemente.It can be provided that the photon source and the filter device are connected to one another by optical components, preferably by one or more fibers and/or one or more beam splitters and/or one or more circulators and/or one or more wave selection elements.
Es kann vorgesehen sein, dass in Schritt i) die Wellenlänge λn des Photonenstrahls und/oder des Pumpstrahls durch einen nicht-linearen Wellenlängenverschiebungs-Prozess verschoben wird, vorzugsweise verschoben wird in dem Bereich zwischen 250 nm und 600 nm oder in dem Bereich zwischen 600 nm und 1200 nm. Dies kann vorzugsweise in der Pumpvorrichtung erfolgen. Die Verschiebung der Wellenlänge durch den nicht-linearen Prozess wird durchgeführt, wenn die Wellenlänge des Photonenstrahls und/oder des Pumpstrahls außerhalb des Bereichs zur Erzeugung von verschränkten Photonen liegt, d.h. außerhalb der 250 nm und 600 nm oder des Bereichs von 600 nm und 1200 nm.It can be provided that in step i) the wavelength λ n of the photon beam and/or the pump beam is shifted by a non-linear wavelength shift process, preferably shifted in the range between 250 nm and 600 nm or in the range between 600 nm and 1200 nm. This can preferably be done in the pump device. The wavelength shift by the non-linear process is performed when the wavelength of the photon beam and/or the pump beam is outside the range for generating entangled photons, that is, outside the 250 nm and 600 nm or the range of 600 nm and 1200 nm .
Es kann vorgesehen sein, dass nach Schritt i) die Wellenlänge λn des Pumpstrahls durch einen nicht-linearen Wellenlängenverschiebungs-Prozess verschoben wird, vorzugsweise verschoben wird in dem Bereich zwischen 250 nm und 600 nm oder in dem Bereich zwischen 600 nm und 1200 nm. Dies kann nach der Pumpvorrichtung und vor dem nicht-linearen Verschränkungs-Element erfolgen. Die Verschiebung der Wellenlänge durch den nicht-linearen Prozess wird durchgeführt, wenn die Wellenlänge des Photonenstrahls und/oder des Pumpstrahls außerhalb des Bereichs zur Erzeugung von verschränkten Photonen liegt, d.h. außerhalb der 250 nm und 600 nm oder des Bereichs von 600 nm und 1200 nm.It can be provided that after step i) the wavelength λ n of the pump beam is shifted by a non-linear wavelength shift process, preferably shifted in the range between 250 nm and 600 nm or in the range between 600 nm and 1200 nm. This can be done after the pumping device and before the non-linear entanglement element. The wavelength shift by the non-linear process is performed when the wavelength of the photon beam and/or the pump beam is outside the range for generating entangled photons, that is, outside the 250 nm and 600 nm or the range of 600 nm and 1200 nm .
Es kann vorgesehen sein, dass ein oder mehrere nicht-lineare Wellenlängenverschiebungs-Elemente in und/oder nach der Pumpvorrichtung angeordnet sind, um die Wellenlänge des Photonenstrahls und/oder die Wellenlänge des Pumpstrahls durch einen oder mehrere nicht-lineare Wellenlängenverschiebungs-Prozesse zu verschieben. Es kann vorgesehen sein, dass ein oder mehrere nicht-lineare Wellenlängenverschiebungs-Elemente nach der Filtervorrichtung angeordnet sind, um die Wellenlänge des Pumpstrahls durch einen oder mehrere nicht-lineare Wellenlängenverschiebungs-Prozesse zu verschieben.It can be provided that one or more non-linear wavelength shifting elements are arranged in and/or after the pump device in order to shift the wavelength of the photon beam and/or the wavelength of the pump beam by one or more non-linear wavelength shifting processes. It can be provided that one or more non-linear wavelength shifting elements are arranged after the filter device in order to shift the wavelength of the pump beam through one or more non-linear wavelength shifting processes.
Es kann vorgesehen sein, dass nur die Wellenlänge des Photonenstrahls durch ein oder mehrere nicht-lineare Wellenlängenverschiebungs-Elemente verschoben wird oder dass nur die Wellenlänge des Pumpstrahls durch ein oder mehrere nicht-lineare Wellenlängenverschiebungs-Elemente verschoben wird oder das sowohl die Wellenlänge des Photonenstrahls als auch die Wellenlänge des Pumpstrahls durch ein oder mehrere nicht-lineare Wellenlängenverschiebungs-Elemente verschoben wird.It can be provided that only the wavelength of the photon beam is shifted by one or more non-linear wavelength shifting elements or that only the wavelength of the pump beam is shifted by one or more non-linear wavelength shifting elements or that both the wavelength of the photon beam and The wavelength of the pump beam is also shifted by one or more non-linear wavelength shift elements.
Es kann vorgesehen sein, dass der nicht-lineare Wellenlängenverschiebungs-Prozess der einen oder mehreren nicht-linearen Wellenlängenverschiebungs-Elemente eine Frequenzverdopplung und/oder Summenfrequenzerzeugung und/oder Differenzfrequenzerzeugung und/oder parametrischer Prozess und/oder eine Vier-Wellen-Mischung ist. Es kann vorgesehen sein, dass das eine oder mehrere nicht-lineare Wellenlängenverschiebungs-Elemente zu Frequenzverdopplung und/oder Summenfrequenzerzeugung und/oder Differenzfrequenzerzeugung und/oder parametrischer Prozess und/oder eine Vier-Wellen-Mischung ausgebildet sind.It can be provided that the non-linear wavelength shift process of the one or more non-linear wavelength shift elements is frequency doubling and/or sum frequency generation and/or difference frequency generation and/or parametric process and/or four-wave mixing. It can be provided that the one or more non-linear wavelength shift elements are designed for frequency doubling and/or sum frequency generation and/or difference frequency generation and/or parametric process and/or a four-wave mixture.
Es kann vorgesehen sein, dass die verschränkten Photonen in der Polarisation, und/oder der Zeit (time-bin) und/oder dem Bahndrehimpuls verschränkt sind.It can be provided that the entangled photons are entangled in polarization, and/or time (time-bin) and/or orbital angular momentum.
Es kann vorgesehen sein, dass in Schritt ii) die verschränkten Photonen durch einen nicht-linearen Verschränkungs-Prozess im nicht-linearen Verschränkungs-Element erzeugt werden, vorzugsweise durch parametrische Fluoreszenz (Spontaneous parametric down-conversion SPDC) oder spontane Vier-Wellen-Mischung (Spontaneous Four-Wave-Mixing SFWM). Es kann vorgesehen sein, dass das nicht-lineare Verschränkungs-Element in einer Sagnac-Konfiguration, linearen Konfiguration, BBO-Konfiguration oder in einer Vier-Wellen-Mischungs-Konfiguration mit einer Kavität angeordnet ist, um verschränkte Photonen zu erzeugen.It can be provided that in step ii) the entangled photons are generated by a non-linear entanglement process in the non-linear entanglement element, preferably by parametric fluorescence (spontaneous parametric down-conversion SPDC) or spontaneous four-wave mixing (Spontaneous Four-Wave Mixing SFWM). The nonlinear entanglement element may be arranged in a Sagnac configuration, linear configuration, BBO configuration or in a four-wave mixing configuration with a cavity to generate entangled photons.
Es kann vorgesehen sein, dass das nicht-lineare Verschränkungs-Element ein oder mehrere nicht-lineare Kristalle oder ein oder mehrere nicht-lineare Wellenleiter aufweist.It can be provided that the non-linear entanglement element has one or more non-linear crystals or one or more non-linear waveguides.
Es kann vorgesehen sein, dass die verschränkten Photonen als verschränkte Photonenpaare oder als verschränkte Photonentripel oder als verschränkte Vielphotonen ausgebildet sind. Durch Pumpen des nicht-linearen Verschränkungs-Elements mit dem Pumpstrahl werden mehrere zeitlich nacheinander ausgebildete verschränkte Photonenpaare oder verschränkte Photonentripel oder verschränkte Vielphotonen erzeugt.It can be provided that the entangled photons are designed as entangled photon pairs or as entangled photon triplets or as entangled multiple photons. By pumping the non-linear entanglement element with the pump beam, several entangled photon pairs or entangled photon triples or entangled multi-photons formed one after the other are generated.
Es kann vorgesehen sein, dass die Photonen eines verschränkten Photonenpaares oder eines verschränkten Photonentripels oder eines verschränkten Vielphotons jeweils spektral getrennte Photonen aufweisen. Unter spektral getrennten Photonen ist hier zu verstehen, dass die Photonen eines verschränkten Photonenpaares oder eines verschränkten Photonentripels oder eines verschränkten Vielphotons jeweils unterschiedliche Wellenlängen aufweisen, d.h. beispielsweise für ein verschränktes Photonenpaar mit einem Signal-Photon mit Wellenlänge λs und einem Idler-Photon mit der Wellenlänge λi gilt λs ≠ λi. Dies wird auch als nicht entartetes (non-degenerated) Photonenpaar bezeichnet und wird durch die Abhängigkeit der Wellenlängen der verschränkten Photonen sowohl von der Pumpwellenlänge als auch von den Eigenschaften des nicht-linearen Verschränkungs-Elements erhalten.It can be provided that the photons of an entangled photon pair or an entangled photon triple or an entangled multi-photon each have spectrally separated photons. Spectrally separated photons are understood here to mean that the photons of an entangled photon pair or an entangled photon triplet or an entangled multiple photon each have different wavelengths, ie, for example, for an entangled photon pair with a signal photon with wavelength λ s and an idler photon with the Wavelength λ i holds that λ s ≠ λ i . This is also referred to as a non-degenerated photon pair and is obtained by the dependence of the wavelengths of the entangled photons on both the pump wavelength and the properties of the non-linear entanglement element.
Es kann vorgesehen sein, dass die verschränkten Photonen eine Wellenlänge im Bereich zwischen 500 nm und 2 µm aufweisen.It can be provided that the entangled photons have a wavelength in the range between 500 nm and 2 μm.
Es kann vorgesehen sein, dass die verschränkten Photonen eine Wellenlänge im Bereich zwischen 500 nm und 1000 nm aufweisen. 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 500 nm und 1000 nm eine hohe Detektionseffizienz aufweisen.It can be provided that the entangled photons have a wavelength in the range between 500 nm and 1000 nm. The advantage of this range is that silicon-based single photon detectors can be used, which can be manufactured easily and inexpensively and have a high detection efficiency in the range between 500 nm and 1000 nm.
Es kann vorgesehen sein, dass die verschränkten Photonen eine Wellenlänge 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) aufweisen. Ein Vorteil dieser Wellenlängenbereiche liegt in der geringen Absorption und/oder geringen Dispersion in Glasfaserkabeln zur Übertragung der Photonen in einer Faser über große Entfernungen.It can be provided that the entangled photons have a wavelength between 1260 nm and 1360 nm (O-band) and/or between 1360 nm and 1460 nm (E-band) and/or between 1460 nm and 1530 nm (S-band). and/or between 1530 nm and 1565 nm (C-band) and/or between 1565 nm and 1625 nm (L-band). An advantage of these wavelength ranges is the low absorption and/or low dispersion in fiber optic cables for transmitting photons in a fiber over long distances.
Es kann vorgesehen sein, dass die Wellenlängenselektionsvorrichtung ein oder mehrere dichroitische Spiegel und/oder einen oder mehrere Gitter und/oder ein oder mehrere Volumen-Bragg Gitter und/oder ein oder mehrere Faser-Bragg-Gitter und/oder ein oder mehrere Prismen und/oder einen Wellenlängendemultiplexer aufweist.It can be provided that the wavelength selection device has one or more dichroic mirrors and/or one or more gratings and/or one or more volume Bragg gratings and/or one or more fiber Bragg gratings and/or one or more prisms and/or or has a wavelength demultiplexer.
Es kann vorgesehen sein, dass die mehreren Ausgänge der Wellenlängenselektionsvorrichtung durch die Ausgänge des einen oder der mehreren dichroitischen Spiegel und/oder des einen oder der mehreren Gitter und/oder des einen oder der mehreren Volumen-Bragg Gitter und/oder des einen oder der mehrere Faser-Bragg-Gitter und/oder des einen oder der mehreren Prismen und/oder des Wellenlängendemultiplexers ausgebildet werden.It can be provided that the multiple outputs of the wavelength selection device are connected through the outputs of the one or more dichroic mirrors and/or the one or more gratings and/or the one or more volume Bragg gratings and/or the one or more Fiber Bragg grating and / or the one or more prisms and / or the wavelength demultiplexer are formed.
Wie bereits vorangehend beschrieben, kann es vorgesehen sein, dass in Schritt i) ein Pumpstrahl mit mehreren Wellenlängen λn erzeugt wird, mit n = 1, ..., i und i = 2,3, .... Dies kann auch als Multi-Linien Quelle bezeichnet werden. Die mehreren Linien beziehen sich auf die mehreren Wellenlängen λn mit n = 1, ..., i und i = 2,3, .... des Pumpstrahls. Die vorangehend beschriebenen Ausführungen der Erzeugung des Photonenstrahls, der Erzeugung der verschränkten Photonen und der Aufteilung der verschränkten Photonen gelten wie für eine Einzel-Linien Quelle in gleicher Weise auch für einen Pumpstrahl mit mehreren Wellenlängen λn, d.h. für eine Multi-Linien Quelle.As already described above, it can be provided that in step i) a pump beam with several wavelengths λ n is generated, with n = 1, ..., i and i = 2.3, .... This can also be done as Multi-line source are called. The multiple lines refer to the multiple wavelengths λ n with n = 1, ..., i and i = 2.3, .... of the pump beam. The previously described explanations of the generation of the photon beam, the generation of the entangled photons and the division of the entangled photons also apply to a pump beam with several wavelengths λ n , ie to a multi-line source, as for a single-line source.
In einer Multi-Linien Quelle kann vorgesehen sein, dass in Schritt i) ein Pumpstrahl mit mehreren Wellenlängen λn durch Filterung des Photonenstrahls erzeugt wird.In a multi-line source it can be provided that in step i) a pump beam with several wavelengths λ n is generated by filtering the photon beam.
In einer Multi-Linien Quelle kann vorgesehen sein, dass zur Erzeugung eines Pumpstrahls mit mehreren Wellenlängen λn ein oder mehrere Filter in der Filtervorrichtung angeordnet sind. Es kann vorgesehen sein, dass der eine oder die mehreren Filter als Reflexionsfilter und/oder als Transmissionsfilter und/oder als Faser-Bragg Filter und/oder als Etalon und/oder als Volumen-Bragg Gitter und/oder dielektrisches Reflexionsgitter und/oder dielektrisches Transmissionsgitter und/oder Prisma ausgebildet sind. Durch die Verwendung von entsprechenden Filtern, beispielsweise Faser-Bragg Gitter, kann das breite Wellenlängenspektrum des Photonenstrahls auf einen Pumpstrahl mit mehreren Wellenlängen λn gefiltert werden. In diesem Ausführungsbeispiel als Multi-Linien Quelle wird der Pumpstrahl mit mehreren Wellenlängen λn durch das Filtern aus dem Spektrum des Photonenstrahls erzeugt.In a multi-line source it can be provided that one or more filters are arranged in the filter device to generate a pump beam with several wavelengths λ n . It can be provided that the one or more filters are used as a reflection filter and/or as a transmission filter and/or as a fiber Bragg filter and/or as an etalon and/or as a volume Bragg grating and/or a dielectric reflection grating and/or a dielectric transmission grating and/or prism are formed. By using appropriate filters, for example fiber Bragg gratings, the broad wavelength spectrum of the photon beam can be filtered to a pump beam with several wavelengths λ n . In this exemplary embodiment as a multi-line source, the pump beam with several wavelengths λ n is generated by filtering from the spectrum of the photon beam.
In einer Multi-Linien Quelle kann vorgesehen sein, dass der Photonenstrahl die mehreren Wellenlängen λn des Pumpstrahls aufweist.In a multi-line source it can be provided that the photon beam has the multiple wavelengths λ n of the pump beam.
In einer Multi-Linien Quelle kann vorgesehen sein, dass in Schritt i) ein Pumpstrahl mit mehreren Wellenlängen λn durch Verschiebung des Photonenstrahls erzeugt wird, vorzugsweise durch mehrere nicht-lineare Wellenlängenverschiebungs-Prozesse. In diesem Ausführungsbeispiel kann durch die mehreren nicht-linearen Wellenlängenverschiebungs-Prozesse in den unterschiedlichen nicht-linearen Wellenlängenverschiebungs-Elementen jeweils eine unterschiedliche Wellenlänge λn des Pumpstrahls erzeugt werden. In einer Multi-Linien Quelle kann vorgesehen sein, dass zur Erzeugung eines Pumpstrahls mit mehreren Wellenlängen λn mehrere nicht-lineare Wellenlängenverschiebungs-Elemente ausgebildet sind. Durch die Verwendung von mehreren nacheinander angeordneter nicht-linearen Wellenlängenverschiebungs-Elementen, vorzugweise mit jeweils unterschiedlichen Eigenschaften, erfolgt die Verschiebung jeweils unterschiedlich weit. Dabei ist zu beachten, dass durch einen nicht-linearen Wellenlängenverschiebungs-Prozess eine Verschiebung nur für einen Teil des Photonenstrahls erfolgt und der nicht verschobene Anteil des Photonenstrahls im danach angeordneten nicht-linearen Wellenlängenverschiebungs-Element verschoben wird. Die Verschiebung hängt dabei von den Eigenschaften des jeweiligen zweiten nicht-linearen Elements ab, d.h. der Polung und/oder der Temperatur des zweiten nicht-linearen Elements.In a multi-line source it can be provided that in step i) a pump beam with several wavelengths λ n is generated by shifting the photon beam, preferably by several non-linear wavelength shifting processes. In this exemplary embodiment, a different wavelength λ n of the pump beam can be generated by the multiple non-linear wavelength shift processes in the different non-linear wavelength shift elements. In a multi-line source, it can be provided that several non-linear wavelength shift elements are designed to generate a pump beam with several wavelengths λ n . By using several non-linear wavelength shift elements arranged one after the other, preferably each with different properties, the shift occurs to different extents. It should be noted that a non-linear wavelength shift process results in a shift for only part of the photon beam and the non-shifted portion of the photon beam is shifted in the non-linear wavelength shift element arranged afterwards. The displacement depends on the properties of the respective second non-linear element, ie the polarity and/or the temperature of the second non-linear element.
Es kann vorgesehen sein, dass die Erzeugung eines Pumpstrahls mit mehreren Wellenlängen λn durch eine Kombination aus ein oder mehreren Filtern und/oder ein oder mehreren nicht-linearen Wellenlängenverschiebungs-Elementen erfolgt.It can be provided that the generation of a pump beam with multiple wavelengths λ n takes place through a combination of one or more filters and/or one or more non-linear wavelength shift elements.
In einer Multi-Linien Quelle kann vorgesehen sein, dass die mehreren Wellenlängen λn des Pumpstrahls spektral getrennt voneinander ausgebildet sind.In a multi-line source it can be provided that the multiple wavelengths λ n of the pump beam are formed spectrally separate from one another.
In einer Multi-Linien Quelle kann vorgesehen sein, dass die mehreren Wellenlängen λn des Pumpstrahls räumlich in einem Strahlengang ausgebildet sind. In einer Multi-Linien Quelle kann vorgesehen sein, dass die mehreren Wellenlängen λn des Pumpstrahls jeweils räumlich getrennt voneinander in jeweils einem eigenen Strahlengang ausgebildet sind, vorzugweise dass die räumliche Trennung durch die Filterung und/oder die Verschiebung erfolgt. Es kann vorgesehen sein, dass zwei oder mehrere der mehreren Strahlengänge zu einem Strahlengang mit mehreren Wellenlängen λn kombiniert werden, vorzugsweise in der Pumpvorrichtung. Der Vorteil eines gemeinsamen Strahlengangs liegt darin, dass zur Erzeugung der verschränkten Photonen nur ein nicht-lineares Verschränkungs-Element verwendet werden kann. Der Vorteil des getrennten Strahlengangs liegt in der Möglichkeit einer anschließenden weiteren Filterung.In a multi-line source it can be provided that the multiple wavelengths λ n of the pump beam are spatially formed in a beam path. In a multi-line source it can be provided that the multiple wavelengths λ n of the pump beam are each spatially separated from one another in their own beam path, preferably that the spatial separation takes place through the filtering and/or the displacement. It can be provided that two or more of the multiple beam paths are combined to form a beam path with multiple wavelengths λ n , preferably in the pump device. The advantage of a common beam path is that only one non-linear entanglement element can be used to generate the entangled photons. The advantage of the separate beam path is the possibility of subsequent further filtering.
In einer Multi-Linien Quelle kann vorgesehen sein, dass die mehreren Wellenlängen λn des Pumpstrahls mindestens 0,01 nm spektral getrennt voneinander ausgebildet sind, vorzugsweise mindestens 0,1 nm, höchst vorzugsweise mindestens 0,5 nm. Durch eine derartige Separation der Spektren der mehreren Wellenlängen λn des Pumpstrahls kann sichergestellt werden, dass auch die erzeugten verschränkten Photonen spektral getrennt ausgebildet sind. Der Vorteil derart großer spektraler Trennung liegt in der verlustarmen Aufteilung der verschränkten Photonen in der Wellenlängenselektionsvorrichtung.In a multi-line source it can be provided that the multiple wavelengths λ n of the pump beam are formed spectrally separated from one another by at least 0.01 nm, preferably at least 0.1 nm, most preferably at least 0.5 nm. By separating the spectra in this way The multiple wavelengths λ n of the pump beam can ensure that the entangled photons generated are also spectrally separated. The advantage of such a large spectral separation lies in the low-loss division of the entangled photons in the wavelength selection device.
In einer Multi-Linien Quelle kann vorgesehen sein, dass der Photonenstrahl in Schritt i) derart gefiltert und/oder verschoben wird, dass der Pumpstrahl mehrere schmale Wellenlängenspektren λn aufweist, vorzugsweise dass die schmalen Wellenlängenspektren λn des Pumpstrahls kleiner 1 nm, vorzugsweise kleiner 50 pm, höchst vorzugsweise kleiner 1 pm ausgebildet ist. Der Vorteil eines Pumpstrahls mit möglichst schmalen Wellenlängenspektren λn liegt darin, dass die erzeugten verschränkten Photonen auch ein schmales Wellenlängenspektrum aufweisen.In a multi-line source it can be provided that the photon beam is filtered and/or shifted in step i) in such a way that the pump beam has several narrow wavelength spectra λ n , preferably that the narrow wavelength spectra λ n of the pump beam are less than 1 nm, preferably smaller 50 pm, most preferably less than 1 pm. The advantage of a pump beam with the narrowest possible wavelength spectra λ n is that the entangled photons generated also have a narrow wavelength spectrum.
In einer Multi-Linien Quelle kann vorgesehen sein, dass die mehreren Wellenlängen An des Pumpstrahls vollständig spektral voneinander getrennt ausgebildet sind.In a multi-line source it can be provided that the multiple wavelengths An of the pump beam are completely spectrally separated from one another.
In einer Multi-Linien Quelle kann vorgesehen sein, dass die mehreren Wellenlängen An des Pumpstrahls derart spektral getrennt sind, dass höchstens 5% des Spektrums des Pumpstrahls überlappen, vorzugsweise höchsten 1%, höchst vorzugsweise 0,01 %. Der Vorteil eines Pumpstrahls mit möglichst großer spektraler Trennung der mehreren Wellenlängen λn des Pumpstrahls liegt darin, dass die erzeugten mehreren spektral getrennten verschränkten Photonen auch eine große spektrale Trennung aufweisen, wodurch die einzelnen Photonen der Photonenpaare oder Photonentripel oder Vielphotonen in einfacher Weise zur Quantenkommunikation anhand ihrer Wellenlänge getrennt werden können. Dadurch ist eine spektrale Aufteilung ohne große Verluste gewährleistet, was zu einer höheren Übertragungsrate führt.In a multi-line source it can be provided that the multiple wavelengths An of the pump beam are spectrally separated in such a way that at most 5% of the spectrum of the pump beam overlap, preferably at most 1%, most preferably 0.01%. The advantage of a pump beam with the largest possible spectral separation of the multiple wavelengths λ n of the pump beam is that the multiple spectrally separated entangled photons generated also have a large spectral separation, whereby the individual photons of the photon pairs or photon triples or multi-photons can be used in a simple manner for quantum communication can be separated by their wavelength. This ensures spectral division without major losses, which leads to a higher transmission rate.
In einer Multi-Linien Quelle kann vorgesehen sein, dass in Schritt ii) durch die mehreren Wellenlängen λn des Pumpstrahls mehrere spektral getrennte verschränkte Photonen erzeugt werden, vorzugsweise verschränkte Photonenpaare, verschränkte Photonentripel oder verschränkte Vielphotonen.In a multi-line source it can be provided that in step ii) several spectrally separated entangled photons are generated by the multiple wavelengths λ n of the pump beam, preferably entangled photon pairs, entangled photon triples or entangled multi-photons.
In einer Multi-Linien Quelle kann vorgesehen sein, dass die Photonen jedes verschränkten Photonenpaares oder jedes verschränkten Photonentripels oder jedes verschränkten Vielphotons jeweils spektral getrennte Photonen aufweisen. Unter spektral getrennten Photonen ist hier zu verstehen, dass die Photonen eines verschränkten Photonenpaares oder eines verschränkten Photonentripels oder eines verschränkten Vielphotons jeweils unterschiedliche Wellenlängen aufweisen. In einer Multi-Linien Quelle weist beispielsweise jedes verschränkte Photonenpaar ein Signal-Photon mit der Wellenlänge λsn und ein Idler-Photon mit der Wellenlänge λin auf, welche durch das Pumpen des nicht-linearen Verschränkungs-Elements mit der Wellenlänge An des Pumpstrahls erzeugt werden. Die Wellenlänge der Signal-Photonen und der Idler-Photonen bei der Erzeugung von verschränkten Photonenpaaren wird durch die jeweilige Wellenlänge λn des Pumpstrahls und/oder die Eigenschaften des nicht-linearen Verschränkungs-Elements, wie beispielsweise der Polung des Kristalls, der Temperatur und/oder des k-Vektors bestimmt. Beispielsweise ist unter mehreren spektral getrennten verschränkten Photonenpaaren hier zu verstehen, dass einerseits die Signal- λsn und Idler-Photonen λin eines Photonenpaares unterschiedliche Wellenlängen aufweisen, d.h. es gilt λsn ≠ λin unabhängig durch welche Wellenlängen λn des Pumpstrahls das Photonenpaar erzeugt wurde. Dies wird auch als nicht entartetes (non-degenerated) Photonenpaar bezeichnet und wird durch die Abhängigkeit der Wellenlängen des Pumpstrahls als auch durch die Eigenschaften des nicht-linearen Verschränkungs-Elements erhalten. Zusätzlich gilt für die mehreren spektral getrennten verschränkten Photonenpaare, dass sich die Wellenlängen der Signal-Photonen, erzeugt durch die verschiedenen Wellenlängen λn, spektral voneinander unterscheiden, d.h. es gilt λsn ≠ λs(n+1). Dies gilt auch entsprechend für die Idler-Photonen, d.h. zusätzlich unterscheiden sich die Wellenlängen der Idler-Photonen, erzeugt durch die verschiedenen Wellenlängen λn, spektral voneinander, d.h. es gilt λin ≠ λi(n+1).In a multi-line source it can be provided that the photons are each entangled photo nenpair or each entangled photon triple or each entangled multiple photon each have spectrally separated photons. What is meant here by spectrally separated photons is that the photons of an entangled photon pair or an entangled photon triplet or an entangled multiple photon each have different wavelengths. For example, in a multi-line source, each entangled photon pair has a signal photon with wavelength λ sn and an idler photon with wavelength λ in , which are generated by pumping the non-linear entanglement element with wavelength An of the pump beam become. The wavelength of the signal photons and the idler photons when generating entangled photon pairs is determined by the respective wavelength λ n of the pump beam and/or the properties of the non-linear entanglement element, such as the polarity of the crystal, the temperature and/or or the k-vector. For example, several spectrally separated entangled photon pairs here mean that, on the one hand, the signal λ sn and idler photons λ in a photon pair have different wavelengths, that is, λ sn ≠ λ in regardless of which wavelengths λ n of the pump beam generate the photon pair became. This is also referred to as a non-degenerated photon pair and is obtained by the dependence of the wavelengths of the pump beam as well as the properties of the non-linear entanglement element. In addition, for the several spectrally separated entangled photon pairs, the wavelengths of the signal photons, generated by the different wavelengths λ n , differ spectrally from one another, that is, λ sn ≠ λ s(n+1) . This also applies accordingly to the idler photons, that is, in addition, the wavelengths of the idler photons, generated by the different wavelengths λ n , differ spectrally from one another, that is, λ in ≠ λ i(n+1) .
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:
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1 : schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von verschränkten Photonen; -
2 : schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumpvorrichtung mit einem Filter; -
3 : schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumpvorrichtung mit einem Reflektions-Element; -
4 : das zweite Ausführungsbeispiel der3 mit Faserverbindungen; -
5 : schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumpvorrichtung mit einem Faser-Bragg Gitter; -
6 : das dritte Ausführungsbeispiel der5 mit Faserverbindungen; -
7 : schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumpvorrichtung mit einem Faser-Bragg Gitter für mehrere Wellenlängen λn des Pumpstrahls; -
8 : das vierte Ausführungsbeispiel der7 mit Faserverbindungen; -
9 : schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumpvorrichtung mit einem Prisma; -
10 : schematische Darstellung eines sechstes Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumpvorrichtung mit zwei optisch aktiven Elementen; -
11 : das sechste Ausführungsbeispiel der11 mit Faserverbindungen; -
12 : zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit mehreren nicht-linearen Wellenlängenverschiebungs-Elementen; -
13 : drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit mehreren Wellenlängen λn des Pumpstrahls durch Filterung; -
14 : viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit mehreren Wellenlängen λn des Pumpstrahls durch mehrere nicht-lineare Wellenlängenverschiebungs-Elemente; -
15 : schematische Darstellung der Wellenlänge des Photonenstrahls und eines Pumpstrahls mit drei Wellenlängen λ1,λ2 und λ3.
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1 : Schematic representation of the device according to the invention for generating entangled photons; -
2 : Schematic representation of a first exemplary embodiment of a pump device according to the invention with a filter; -
3 : Schematic representation of a second exemplary embodiment of a pump device according to the invention with a reflection element; -
4 : the second embodiment of the3 with fiber connections; -
5 : Schematic representation of a third exemplary embodiment of a pump device according to the invention with a fiber Bragg grating; -
6 : the third embodiment of the5 with fiber connections; -
7 : Schematic representation of a fourth exemplary embodiment of a pump device according to the invention with a fiber Bragg grating for several wavelengths λ n of the pump beam; -
8th : the fourth embodiment of the7 with fiber connections; -
9 : Schematic representation of a fifth exemplary embodiment of a pump device according to the invention with a prism; -
10 : Schematic representation of a sixth exemplary embodiment of a pump device according to the invention with two optically active elements; -
11 : the sixth embodiment of the11 with fiber connections; -
12 : second embodiment of the device according to the invention with several non-linear wavelength shift elements; -
13 : third embodiment of the device according to the invention with several wavelengths λ n of the pump beam by filtering; -
14 : fourth embodiment of the device according to the invention with several wavelengths λ n of the pump beam through several non-linear wavelength shift elements; -
15 : schematic representation of the wavelength of the photon beam and a pump beam with three wavelengths λ 1, λ 2 and λ 3 .
Erfindungsgemäß weist die Pumpvorrichtung 1 eine Photonenquelle 2 auf, welche einen Photonenstrahl 10 erzeugt. Wesentlich ist dabei, dass der Photonenstrahl 10 in der Photonenquelle 2 durch verstärkte spontane Emission, beispielsweise durch ein optisch aktives Element 21 (nicht dargestellt in
Weiter weist die Pumpvorrichtung 1 eine Filtervorrichtung 3 auf, in der der Photonenstrahl 10 zu einen Pumpstrahl 11 mit einer oder mehreren Wellenlängen λn gefiltert wird. Der Pumpstrahl 11 wird anschließend zum Pumpen des nicht-linearen Verschränkungs-Elements 4 verwendet zur Erzeugung von verschränkten Photonen 12.Furthermore, the
Die verschränkten Photonen 12 werden nach der Erzeugung in der Wellenlängenselektionsvorrichtung 5 anhand ihrer Wellenlänge auf jeweils einen Ausgang der Wellenlängenselektionsvorrichtung 5 aufgeteilt. Im Ausführungsbeispiel der
Der Photonenquellen-Pumpstrahl 25 des Photonenquellen-Pumplasers 20 wird in
Die Photonenquelle 2 des Ausführungsbeispiels der
Im oberen optisch aktiven Element 21 der
Im unteren optisch aktiven Element 21 der
Im unteren Zirkulator 41 werden die beiden Pumpstrahlen 11 kombiniert und zum dritten Eingang/Ausgang des unteren Zirkulators 41 geführt.In the
Das Ausführungsbeispiel der
Das Ausführungsbeispiel der
Beispielhaft ist ein zweites nicht-lineares Wellenlängenverschiebungs-Element 6 gestrichelt zwischen der Filtervorrichtung und dem nicht-linearen Verschränkungs-Element 4 in
Es ist auch möglich, die nicht-linearen Wellenlängenverschiebungs-Elemente 6 aus
Durch die mehreren Wellenlängen λn des Pumpstrahls 11 werden im nicht-linearen Verschränkungs-Element 4 mehrere spektral getrennte verschränkte Photonen 12 erzeugt. Die Photonen mit jeweils verschiedenen Wellenlängen werden in der Wellenlängenselektionsvorrichtung 5 verschiedenen Ausgängen zugeordnet, wie in
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- PumpvorrichtungPumping device
- 22
- Photonenquellephoton source
- 33
- FiltervorrichtungFilter device
- 44
- nicht-lineares Verschränkungs-Elementnon-linear entanglement element
- 55
- WellenlängenselektionsvorrichtungWavelength selection device
- 66
- nicht-lineares Wellenlängenverschiebungs-Element non-linear wavelength shift element
- 1010
- Photonenstrahlphoton beam
- 1111
- PumpstrahlPump jet
- 1212
- verschränkte Photonenentangled photons
- 1313
- Signal-PhotonSignal photon
- 1414
- Idler-Photon Idler Photon
- 2020
- Photonenquellen-PumplaserPhoton source pump laser
- 2121
- optisch aktives Elementoptically active element
- 2222
- StrahlteilerBeam splitter
- 2323
- Isolatorinsulator
- 2424
- WellenselektionselementWave selection element
- 2525
- Photonenquellen-Pumpstrahl Photon source pump beam
- 3030
- Transmissions-FilterTransmission filter
- 3131
- Reflektions-ElementReflection element
- 3232
- Faser-Bragg Gitter Fiber Bragg grid
- 4040
- Faserfiber
- 4141
- ZirkulatorCirculator
Claims (15)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102022118548.6A DE102022118548B3 (en) | 2022-07-25 | 2022-07-25 | Method and device for generating entangled photons |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102022118548.6A DE102022118548B3 (en) | 2022-07-25 | 2022-07-25 | Method and device for generating entangled photons |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102022118548B3 true DE102022118548B3 (en) | 2023-12-07 |
Family
ID=88790344
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102022118548.6A Active DE102022118548B3 (en) | 2022-07-25 | 2022-07-25 | Method and device for generating entangled photons |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102022118548B3 (en) |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20150261058A1 (en) | 2013-02-19 | 2015-09-17 | The University Of Bristol | Optical source |
-
2022
- 2022-07-25 DE DE102022118548.6A patent/DE102022118548B3/en active Active
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US20150261058A1 (en) | 2013-02-19 | 2015-09-17 | The University Of Bristol | Optical source |
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