DE10222170B4 - Quantum optical interference device and method for operating such - Google Patents
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Abstract
Quantenoptische
Interferenz-Vorrichtung, umfassend
– eine Photonenquelle (1),
welche Photonenpaare abgibt, deren jedes aus einem ersten Photon
von mittlerer Wellenlänge λ1 und
einem zweiten Photon von mittlerer Wellenlänge λ2 besteht,
– ein Interferometer
mit zwei Armen, zwischen welchen ein optischer Weglängenunterschied
(D) besteht, wobei
– das
erste Photon eines Photonenpaares den ersten Arm und das zweite
Photon des Photonenpaares den zweiten Arm zu durchlaufen imstande
ist,
– in
dem ersten Arm eine erste optische Verzögerungseinrichtung (11) angeordnet
ist, nach deren Passieren sich das erste Photon entweder in einem
ersten vorderen oder in einem gegenüber diesem um eine erste Verzögerung d1
verzögerten
ersten hinteren Wahrscheinlichkeitswellenpaket (51, 52) befindet,
welche gegeben ist durch d1 = (n·λ1/2)
+ x1, wobei x1 ein Wert aus dem Intervall -λ1/4...+λ1/4
und n eine ganze Zahl ist,
– in dem zweiten Arm eine zweite
optische Verzögerungseinrichtung
(111) angeordnet ist, nach deren Passieren sich...Quantum optical interference device comprising
A photon source (1) which emits pairs of photons, each consisting of a first photon of medium wavelength λ 1 and a second photon of medium wavelength λ 2 ,
- An interferometer with two arms, between which an optical path length difference (D), wherein
The first photon of a photon pair is able to pass through the first arm and the second photon of the photon pair is able to pass through the second arm,
- In the first arm, a first optical delay means (11) is arranged, after passing the first photon is either in a first forward or delayed in relation to this by a first delay d1 first rear probability wave packet (51, 52), which given is by d1 = (n · λ 1/2) + x1, wherein x1 is a value from the interval 1 -λ /4...+λ 1/4 and n is an integer,
- In the second arm, a second optical delay device (111) is arranged, after passing through ...
Description
Technisches Gebiet:Technical area:
Die Erfindung betrifft eine quantenoptische Interferenz-Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen.The The invention relates to a quantum optical interference device and a method of operating such.
Stand der Technik:State of the art:
Die Informationstechnologie verlangt nach immer neuen Methoden zur Datenverarbeitung und Datenübertragung. Eine dieser Methoden besteht in der Datenverarbeitung durch Quantencomputer; derartige Computer sind in neuerer Zeit zum Gegenstand sehr intensiver Forschungs- und Entwicklungsbemühungen geworden. Es konnte gezeigt werden, daß Quantencomputer einige Probleme der Informatik wesentlich schneller zu lösen in der Lage sind als herkömmliche elektronische Computer. Beispiele für derartige Probleme sind die Primfaktorzerlegung großer Zahlen oder die Berechnung des diskreten Logarithmus mit dem Algorithmus von Shor, welche auf herkömmlichen elektronischen Computern ineffizient ist und daher viel Rechenzeit in Anspruch nimmt.The Information technology demands ever new methods of data processing and data transmission. One of these methods is data processing by quantum computers; Such computers are more intense in recent times the subject Research and development efforts become. It could be shown that quantum computers have some problems computer science are able to solve much faster than conventional ones electronic computers. Examples of such problems are the Prime factorization big Numbers or the calculation of the discrete logarithm with the algorithm from Shor, which on conventional electronic computers is inefficient and therefore much computing time takes up.
Die Lösung dieser Probleme mittels herkömmlicher elektronischer Computer bereitet daher in der Praxis Schwierigkeiten, was die Basis verschiedener kryptologischer Verfahren für die Übertragung geheimer Daten bildet. Quantencomputer sind daher potentiell dazu geeignet, diese kryptologischen Verfahren zu brechen. Nicht zuletzt deshalb sind sie in neuerer Zeit zu einem Mittelpunkt des Forschungsinteresses geworden.The solution these problems by means of conventional electronic computer therefore presents difficulties in practice which is the basis of various cryptological procedures for transmission secret data forms. Quantum computers are therefore potentially suitable to break these cryptological procedures. Not least therefore, they have recently become a center of research interest become.
Darüber hinaus sind Quantencomputer in der Lage, die zur Ausführung vieler anderer Aufgaben benötigte Zeit zu verringern. Die asymptotische Laufzeit kann dabei mittels des Quantencomputers oft auf eine Zeitdauer reduziert werden, welche der Quadratwurzel der Laufzeit entsprechender Algorithmen für herkömmliche elektronische Computer entspricht.Furthermore Quantum computers are capable of performing many other tasks needed To reduce time. The asymptotic runtime can be done by means of of the quantum computer are often reduced to a period of time which the square root of the runtime of corresponding algorithms for conventional equivalent to electronic computer.
Ein bekanntes Beispiel dafür ist der Groversche Suchalgorithmus. Ein klassischer Algorithmus benötigt im Mittel n/2 Abfragen (Arbeitsschritte), um einen bestimmten Datensatz anhand eines Suchkriteriums in einer Liste von n Datensätzen zu finden. Der Quantenalgorithmus von Grover benötigt jedoch nur ein Zahl von Arbeitsschritte, welche der Wurzel der Zahl n entspricht.One well-known example of this is the Grover search algorithm. A classic algorithm needed in the Means n / 2 queries (steps) to a specific record using a search criterion in a list of n records Find. However, Grover's quantum algorithm requires only a number of Steps that correspond to the root of the number n.
Quantenmechanische Ansätze sind jedoch nicht nur in der Computerentwicklung von großem Interesse, sondern auch in der Datenübertragungstechnik, und dort insbesondere im Bereich der Krytographie.quantum mechanical approaches are not only of great interest in computer development, but also in data transmission technology, and there especially in the field of cryptography.
Bekannte Verfahren der Quantenkryptographie basieren auf dem Einmal-Schlüssel-Verfahren (One Time Pad, Vernam Cypher). Dieses Verfahren kann mit herkömmlichen Computern durchgeführt werden und ist bewiesenermaßen sicher. Voraussetzung für das Verfahren ist, daß der Schlüssel geheim, zufällig und ebenso lang wie die zu übertragende Nachricht selbst ist. Verschlüsselt wird mit einer bitweise durchgeführten logischen XOR-Operation. Der Sender und der Empfänger müssen hierfür den gleichen Schlüssel besitzen, so daß die geheime Übertragung dieses Schlüssels von entscheidender Bedeutung ist. Genau dies leistet die Quantenkryptographie (Quantum Key Distribution): Die Bits des Schlüssels werden bitweise in einzelne Photonen kodiert; ein Abhörversuch an diesen Photonen wird diese jedoch aufgrund quantenmechanischer Prinzipien verändern, und diese Veränderung kann vom Sender und vom Empfänger detektiert werden.Known Methods of quantum cryptography are based on the one-time-key method (One Time Pad, Vernam Cypher). This procedure can be done with conventional Computers are performed and is proven for sure. requirement for the procedure is that the key secret, random and as long as the message to be transmitted itself is. encoded is done with a bitwise logical XOR operation. The transmitter and the receiver must have the same key for this, So that the secret transmission this key is crucial. This is exactly what quantum cryptography does (Quantum Key Distribution): The bits of the key are bitwise into individual Photons encoded; a listening attempt on these photons, however, this is due to quantum mechanical Change principles, and this change can be from the sender and the receiver be detected.
Diese Beispiele zeigen, daß die Quantenmechanik in der Informationstechnologie an Bedeutung gewinnt. Da logische Gatter eine wesentliche Grundlage der Computer- und Informationstechnologie darstellen, sind quantenmechanische Logikgatter von großem Interesse.These Examples show that the Quantum mechanics in information technology is gaining importance. Since logical gates are an essential foundation of computer and computer technology Represent information technology, are quantum mechanical logic gates of great Interest.
Eine Anwendung der Kryptographie besteht in der Identifikation zweier Parteien, welche nur gemeinsam und evtl. auch nur gleichzeitig zu einer Aktion berechtigt sind, gegenüber einer dritten, prüfenden Partei, welche nicht in den Besitz der Schlüssel gelangt. Herkömmliche Verfahren, bei denen die Schlüssel nicht direkt zur prüfenden Partei übertragen werden, basieren meist darauf, daß die Berechnung des diskreten Logarithmus mit dem Algorithmus von Shor auf herkömmlichen elektronischen Computern ineffizient ist (siehe z.B. Schneier, Bruce: Applied Cryptography.2nd., John Wiley & Sons, 1996, ISBN: 0-471-11709-9. Gerade für Quantencomputer gibt es aber effiziente Algorithmen für dieses Problem, so daß das genannte Hindernis durch Einsatz von Quantencomputern umgangen werden kann und die Sicherheit der genannten Identifikationsverfahren nicht mehr gewährleistet ist.A Application of cryptography consists in the identification of two Parties, which only together and possibly only simultaneously an action against a third party, which does not come into the possession of the key. conventional Procedures in which the keys not directly to the examining Party transfer are usually based on the fact that the calculation of the discrete Logarithm with the algorithm of Shor on conventional electronic computers is inefficient (see, for example, Schneier, Bruce: Applied Cryptography, 2nd, John Wiley & Sons, 1996, ISBN: 0-471-11709-9. Especially for But quantum computers have efficient algorithms for this Problem, so that obstructed by use of quantum computers can not and the security of the mentioned identification procedures not more guaranteed is.
Im Stand der Technik sind verschiedene Methoden zur Erzeugung von Photonenpaaren bekannt. Eine Methode beruht auf der nichtlinearen Optik. Es wird ein quantenoptischer Effekt ausgenutzt, der auf optischer parametrischer Fluoreszenz beruht und zur Ausbildung von sogenannten „Mehrphotonen-Fock-Zuständen" führt. Hierzu werden Photonen aus einem Laser, im folgenden als Primärphotonen bezeichnet, in einen für die nichtlineare Optik geeigneten Kristall eingestrahlt. Der Kristall kann z.B. aus Beta-Barium-Borat, aus Kalium-Deuterium-Phosphat oder aus Lithium-Niobat bestehen. Das Primärphoton wird beim Durchgang durch den Kristall mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit durch optische parametrische Fluoreszenz in ein Paket aus zwei sekundären, "verschränkten" Photonen umgewandelt, deren Gesamtenergie der Energie des Primärphotons entspricht. Die Wellenlänge jedes Sekundärphotons ist daher größer als diejenige des Primärphotons.Various methods for generating photon pairs are known in the art. One method is based on nonlinear optics. It utilizes a quantum optical effect based on optical parametric fluorescence which results in the formation of so-called "multiphoton Fock states." For this purpose, photons from a laser, referred to below as primary photons, are irradiated into a crystal suitable for nonlinear optics. For example, the crystal may consist of beta-barium borate, potassium deuterium phosphate, or lithium niobate, and the primary photon is likely to be optically parame- tered when passing through the crystal converted trical fluorescence into a set of two secondary, "entangled" photons whose total energy corresponds to the energy of the primary photon. The wavelength of each secondary photon is therefore larger than that of the primary photon.
In der Literatur wird das sekundäre Photon mit der größeren Energie als „Signalphoton", dasjenige mit der kleineren Energie als „Mitläufer" oder „Idler" bezeichnet. Eine nähere Beschreibung des genannten Effektes liefert die Veröffentlichung „Quantenphänomene in der Welt des Lichtes" von J. Brendel, Reihe Physik Band 28 Thun [u.a.], 1994, Frankfurt (Main), Univ., Diss., Seiten 41 ff [ISBN:3-8171-1384-6.] Die Photonenpakete können ohne weiteres auf herkömmliche Weise in Lichtwellenleiter eingeleitet und nachrichtentechnisch verarbeitet werden. Die erreichten Wirkungsgrade und Intensitäten bei der Erzeugung derartiger Photonenpakete sind bisher sehr gering. Es bestehen dennoch bereits heute Anwendungsmöglichkeiten für derartiges Licht, die mit diesen geringen Intensitäten auskommen, z.B. im Bereich der Quantenkryptographie.In Literature becomes the secondary Photon with greater energy as "signal photon", the one with the smaller energy called "Mitläufer" or "Idler". A details Description of said effect provides the publication "Quantum Phenomena in the world of light "from J. Brendel, Series Physik Volume 28 Thun [ua], 1994, Frankfurt (Main), Univ., Diss., P. 41 ff. [ISBN: 3-8171-1384-6.] The Photon Packages can without further on conventional Way initiated in optical fibers and telecommunications technology are processed. The achieved efficiencies and intensities at The generation of such photon packets are so far very low. However, there are already applications for such today Light that gets along with these low intensities, e.g. in the area of quantum cryptography.
Eine andere Methode zur Erzeugung von Photonenpaaren besteht in der Verwendung eines Zweiphotonen-Lasers als Lichtquelle. Ein Zweiphotonen-Laser ist z.B. in der Veröffentlichung „Polarization Instabilities in a Two-Photon Laser" von O. Pfister et al., Physical Review Letters, Vol. 86, Nr. 20, S. 4512–4515, Mai 2001, beschrieben.A another method for generating photon pairs is to use a two-photon laser as a light source. A two-photon laser is e.g. in the publication "Polarization Instabilities in a Two-Photon Laser "by O. Pfister et al., Physical Review Letters, Vol. 86, No. 20, pp. 4512-4515, May 2001.
Aus
der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, welche zur quantenoptischen Ausführung einer logischen XOR-Operation z.B. in einem Quantencomputer geeignet und zur Identifikation zweier Parteien gegenüber einer dritten Partei anwendbar sind.Of the Invention is the object of a device and a To provide methods for quantum optical execution of a logical XOR operation e.g. suitable in a quantum computer and for the identification of two Opposite parties apply to a third party.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine quantenoptische Interferenz-Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 35.These The object is achieved by a quantum optical interference device with the features of Claim 1. The object is further achieved by a method with the features of claim 35.
Eine erfindungsgemäße quantenoptische Interferenz-Vorrichtung umfasst
- – eine Photonenquelle, welche Photonenpaare abgibt, deren jedes aus einem ersten Photon von mittlerer Wellenlänge λ1 und einem zweiten Photon von mittlerer Wellenlänge λ2 besteht,
- – ein Interferometer mit zwei Armen, zwischen welchen ein optischer Weglängenunterschied D besteht, wobei
- – das erste Photon eines Photonenpaares den ersten Arm und das zweite Photon des Photonenpaares den zweiten Arm zu durchlaufen imstande ist,
- – in dem ersten Arm eine erste optische Verzögerungseinrichtung angeordnet ist, nach deren Passieren sich das erste Photon entweder in einem ersten vorderen oder in einem gegenüber diesem um eine erste Verzögerung d1 verzögerten ersten hinteren Wahrscheinlichkeitswellenpaket befindet, welche gegeben ist durch d1 = (n·λ1/2) + x1, wobei x1 ein Wert aus dem Intervall –λ1/4...+λ1/4 und n eine ganze Zahl ist,
- – in dem zweiten Arm eine zweite optische Verzögerungseinrichtung angeordnet ist, nach deren Passieren sich das zweite Photon entweder in einem zweiten vorderen oder in einem gegenüber diesem um eine zweite Verzögerung d2 verzögerten zweiten hinteren Wahrscheinlichkeitswellenpaket befindet, welche gegeben ist durch d2 = (m·λ2/2) + x2, wobei x2 ein Wert aus dem Intervall –λ2/4...+λ2/4 und m eine ganze Zahl ist,
- – einen Strahlenkoppler mit einem ersten und einem zweiten Kopplereingang und einem ersten und einem zweiten Kopplerausgang, wobei
- – das erste Photon nach Durchlaufen des ersten Arms durch den ersten Kopplereingang und das zweite Photon nach Durchlaufen des zweiten Arms durch den zweiten Kopplereingang in den Strahlenkoppler einfällt,
- – die beiden Photonen das Photonenpaares in dem Strahlenkoppler interferieren, und
- – jedes der beiden Photonen des Photonenpaares den Strahlenkoppler sowohl durch den ersten als auch durch den zweiten Kopplerausgang verlassen kann, so daß entweder die Photonen des Photonenpaares den Strahlenkoppler gemeinsam durch denselben Kopplerausgang verlassen – Antikoinzidenz des Photonenpaares – oder getrennt voneinander durch verschiedene Kopplerausgänge verlassen – Koinzidenz des Photonenpaares –,
- – einen ersten Detektor, welcher das erste bzw. das zweite Photon zu registrieren imstande ist, sofern das erste bzw. zweite Photon den Strahlenkoppler durch den ersten Kopplerausgang verlassen hat,
- – einen zweiten Detektor, welcher das erste bzw. das zweite Photon zu registrieren imstande ist, sofern das erste bzw. zweite Photon den Strahlenkoppler durch den zweiten Kopplerausgang verlassen hat, sowie
- – eine Koinzidenzschaltung, welche ein Koinzidenzsignal auslöst, wenn der erste Detektor das erste Photon des Photonenpaares und der zweite Detektor das zweite Photon des Photonenpaares registriert oder umgekehrt, d.h. bei Feststellung einer Koinzidenz des Photonenpaares, und ein Antikoinzidenzsignal auslöst, wenn der erste oder der zweite Detektor beide Photonen des Photonenpaares registriert, d.h. bei Feststellung einer Antikoinzidenz des Photonenpaares,
wobei der optische Weglängenunterschied D so gewählt ist, daß mit einer signifikant höheren Wahrscheinlichkeit als 50% eine logische XOR-Operation ausgeführt wird, welche darin besteht, daß die Koinzidenzschaltung das Koinzidenzsignal auslöst, wenn eine der beiden Zahlen n oder m eine gerade und die andere eine ungerade Zahl ist, und das Antikoinzidenzsignal auslöst, wenn beide Zahlen n und m gerade Zahlen oder beide Zahlen n und m ungerade Zahlen sind.A quantum optical interference device according to the invention comprises
- A photon source emitting photon pairs each consisting of a first photon of medium wavelength λ 1 and a second photon of medium wavelength λ 2 ,
- - An interferometer with two arms, between which an optical path length difference D exists, wherein
- The first photon of a photon pair is able to pass through the first arm and the second photon of the photon pair is able to pass through the second arm,
- - In the first arm, a first optical delay device is arranged, after passing the first photon is either in a first forward or in a relative to this delayed by a first delay d1 first rear probability wave packet, which is given by d1 = (n · λ 1/2) + x1, wherein x1 is a value from the interval 1 -λ /4...+λ 1/4 and n is an integer,
- A second optical delay device is arranged in the second arm, after which the second photon passes either in a second forward or in a second rear likelihood wave packet delayed by a second delay d2, which is given by d2 = (mλ) 2/2 ) + x2, where x2 is a value from the interval -λ 2 /4...+λ 2/4 and m is an integer,
- - A beam coupler having a first and a second coupler input and a first and a second coupler output, wherein
- The first photon passes through the first coupler input after passing through the first arm and the second photon passes through the second coupler input into the beam coupler after passing through the second arm,
- - The two photons interfere with the photon pair in the beam coupler, and
- - Each of the two photons of the photon pair can leave the beam coupler through both the first and through the second coupler output, so that either the photons of the photon pair leave the beam coupler together through the same coupler output - anti-coincidence of the photon pair - or separated from each other by different coupler exits - coincidence of the photon couple -,
- A first detector capable of registering the first and second photons, if the first or second photon has left the beam coupler through the first coupler output,
- - A second detector which is capable of registering the first and the second photon, provided that the first and second photon has left the beam coupler through the second coupler output, and
- A coincidence circuit which triggers a coincidence signal when the first detector registers the first photon of the photon pair and the second detector registers the second photon of the photon pair or vice versa, ie upon detection of a coincidence of the photon pair, and an anti-coincidence signal if the first or the second Detector detects both photons of the photon pair, ie upon detection of an anticoincidence of the photon pair,
wherein the optical path length difference D is chosen to perform with a significantly higher probability than 50% a logical XOR operation, which consists of the coincidence circuit triggering the coincidence signal if one of the two numbers n or m is even and the other is an odd number and triggers the anti-coincidence signal if both numbers n and m are even numbers or both numbers n and m are odd numbers.
Abweichend hiervon kann die Koinzidenzschaltung so eingerichtet sein, daß sie kein Antikoinzidenzsignal auslöst. Die logische XOR-Operation besteht dann darin, daß die Koinzidenzschaltung das Koinzidenzsignal auslöst, wenn eine der beiden Zahlen n oder m eine gerade und die andere eine ungerade Zahl ist, wobei ein Ausbleiben des Koinzidenzignals als Auftreten einer Antikoinzidenz interpretiert werden kann.deviant From this, the coincidence circuit can be arranged to have no Anti-coincidence signal triggers. The logical XOR operation then is that the coincidence circuit triggers the coincidence signal, if one of the two numbers n or m is one straight and the other is an odd number, with an absence of the coincidence signal can be interpreted as the occurrence of anticoincidence.
Alternativ hierzu kann die Koinzidenzschaltung so eingerichtet sein, daß sie kein Koinzidenzsignal auslöst. Die logische XOR-Operation besteht dann darin, daß die Koinzidenzschaltung das Antikoinzidenzsignal auslöst, wenn beide Zahlen n und m gerade Zahlen oder beide Zahlen n und m ungerade Zahlen sind, wobei ein Ausbleiben des Antikoinzidenzignals als Auftreten einer Koinzidenz interpretiert werden kann.alternative For this purpose, the coincidence circuit can be set up so that it does not Coincidence signal triggers. The logical XOR operation then is that the coincidence circuit triggers the anti-coincidence signal, if both numbers are n and m are even numbers or both numbers are n and m are odd numbers, with the absence of the anticoincidence signal can be interpreted as the occurrence of a coincidence.
Die beiden letztgenannten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind insbesondere dann sinnvoll, wenn bekannt ist, zu welchen Zeitpunkten Durchgänge von Photonenpaaren durch das Interferometer stattfinden.The both latter embodiments the device according to the invention are particularly useful if it is known at what times crossings of photon pairs through the interferometer.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer quantenoptischen Interferenzvorrichtung mit
- – einer Photonenquelle, welche Photonenpaare abgibt, deren jedes aus einem ersten Photon von mittlerer Wellenlänge λ1 und einem zweiten Photon von mittlerer Wellenlänge λ2 besteht,
- – einem Interferometer mit zwei Armen, zwischen welchen ein optischer Weglängenunterschied D besteht, wobei
- – das erste Photon eines Photonenpaares in den ersten Arm und das zweite Photon des Photonenpaares in den zweiten Arm eingekoppelt wird,
- – in dem ersten Arm eine erste optische Verzögerungseinrichtung angeordnet ist, nach deren Passieren sich das erste Photon entweder in einem ersten vorderen oder in einem gegenüber diesem um eine erste Verzögerung d1 verzögerten ersten hinteren Wahrscheinlichkeitswellenpaket befindet, welche gegeben ist durch d1 = (n·λ1/2) + x1, wobei x1 ein Wert aus dem Intervall –λ1/4...+λ1/4 und n eine ganze Zahl ist,
- – in dem zweiten Arm eine zweite optische Verzögerungseinrichtung angeordnet ist, nach deren Passieren sich das zweite Photon entweder in einem zweiten vorderen oder in einem gegenüber diesem um eine zweite Verzögerung d2 verzögerten zweiten hinteren Wahrscheinlichkeitswellenpaket befindet, welche gegeben ist durch d2 = (m·λ2/2) + x2, wobei x2 ein Wert aus dem Intervall –λ2/4...+λ2/4 und m eine ganze Zahl ist,
- – und mit einem Strahlenkoppler mit einem ersten und einem zweiten Kopplereingang und einem ersten und einem zweiten Kopplerausgang, wobei
- – die beiden Photonen das Photonenpaares nach Durchlaufen des ersten bzw. zweiten Interferometerarmes in einen Strahlenkoppler eingekoppelt und dort zur Interferenz gebracht werden, und
- – jedes der beiden Photonen des Photonenpaares den Strahlenkoppler sowohl durch einen ersten als auch durch einen zweiten Kopplerausgang verlassen kann, so daß entweder die Photonen des Photonenpaares den Strahlenkoppler gemeinsam durch denselben Kopplerausgang verlassen – Antikoinzidenz des Photonenpaares – oder getrennt voneinander durch verschiedene Kopplerausgänge verlassen – Koinzidenz des Photonenpaares –, wird
- – ein Koinzidenzsignal dann ausgelöst, wenn das erste Photon des Photonenpaares den Strahlenkoppler durch den ersten Kopplerausgang und das zweite Photon des Photonenpaares den Strahlenkoppler durch den zweiten Kopplerausgang verläßt oder umgekehrt, d.h. bei Koinzidenz des Photonenpaares,
- – ein Antikoinzidenzsignal dann ausgelöst, wenn das erste und das zweite Photon des Photonenpaares den Strahlenkoppler gemeinsam durch den ersten oder durch den zweiten Kopplerausgang verlassen, d.h. bei Koinzidenz des Photonenpaares,
- – und der optische Weglängenunterschied D so gewählt, daß mit einer signifikant höheren Wahrscheinlichkeit als 50% eine logische XOR-Operation ausgeführt wird, welche darin besteht, daß das Koinzidenzsignal ausgelöst wird, wenn eine der beiden Zahlen n oder m eine gerade und die andere eine ungerade Zahl ist, und das Antikoinzidenzsignal ausgelöst wird, wenn beide Zahlen n und m gerade Zahlen oder beide Zahlen n und m ungerade Zahlen sind.
- A photon source emitting photon pairs each consisting of a first photon of medium wavelength λ 1 and a second photon of medium wavelength λ 2 ,
- - An interferometer with two arms, between which an optical path length difference D consists, wherein
- - the first photon of a photon pair is coupled into the first arm and the second photon of the photon pair is coupled into the second arm,
- - In the first arm, a first optical delay device is arranged, after passing the first photon is either in a first forward or in a relative to this delayed by a first delay d1 first rear probability wave packet, which is given by d1 = (n · λ 1/2) + x1, wherein x1 is a value from the interval 1 -λ /4...+λ 1/4 and n is an integer,
- A second optical delay device is arranged in the second arm, after which the second photon passes either in a second forward or in a second rear likelihood wave packet delayed by a second delay d2, which is given by d2 = (mλ) 2/2 ) + x2, where x2 is a value from the interval -λ 2 /4...+λ 2/4 and m is an integer,
- - And with a beam coupler having a first and a second coupler input and a first and a second coupler output, wherein
- - The two photons coupled the photon pair after passing through the first and second Interferometerarmes in a beam coupler and there brought to the interference, and
- - Each of the two photons of the photon pair can leave the beam coupler both through a first and through a second coupler output, so that either the photons of the photon pair leave the beam coupler together through the same coupler output - anti-coincidence of the photon pair - or leave each other separated by different coupler outputs - coincidence of the photon pair -, will
- A coincidence signal is triggered when the first photon of the photon pair leaves the beam coupler through the first coupler output and the second photon of the photon pair leaves the beam coupler through the second coupler output, or vice versa, ie if the photon pair coincides,
- An anticoincidence signal is triggered when the first and the second photon of the photon pair leave the beam coupler in common through the first or the second coupler output, ie in the case of coincidence of the photon pair,
- - And the optical path length difference D so It is chosen to perform with a significantly higher probability than 50% a logical XOR operation, which consists of triggering the coincidence signal if one of the two numbers n or m is even and the other is an odd number, and the anti-coincidence signal is triggered if both numbers n and m are even numbers or both numbers n and m are odd numbers.
Abweichend hiervon wird gemäß einer Variante der Erfindung wird kein Antikoinzidenzsignal ausgelöst. Die logische XOR-Operation besteht dann darin, daß die Koinzidenzschaltung das Koinzidenzsignal auslöst, wenn eine der beiden Zahlen n oder m eine gerade und die andere eine ungerade Zahl ist., wobei ein Ausbleiben des Koinzidenzignals als Auftreten einer Antikoinzidenz interpretiert werden kann.deviant thereof is according to a Variant of the invention, no anti-coincidence signal is triggered. The logical XOR operation is then that the coincidence circuit the Coincidence signal triggers, if one of the two numbers n or m is one straight and the other is an odd number, where a lack of coincidence signal can be interpreted as the occurrence of anticoincidence.
In einer hierzu alternativen Variante wird kein Koinzidenzsignal ausgelöst. Die logische XOR-Operation besteht dann darin, daß die Koinzidenzschaltung das Antikoinzidenzsignal auslöst, wenn beide Zahlen n und m gerade Zahlen oder beide Zahlen n und m ungerade Zahlen sind, wobei ein Ausbleiben des Antikoinzidenzignals als Auftreten einer Koinzidenz interpretiert werden kann.In an alternative variant, no coincidence signal is triggered. The logical one XOR operation is then that the coincidence circuit the anti-coincidence signal triggers, if both numbers are n and m are even numbers or both numbers are n and m are odd numbers, with the absence of the anticoincidence signal can be interpreted as the occurrence of a coincidence.
Die beiden letztgenannten Verfahrensvarianten sind insbesondere dann sinnvoll, wenn bekannt ist, zu welchen Zeitpunkten Durchgänge von Photonenpaaren durch das Interferometer stattfinden.The two latter variants of the method are in particular then makes sense if it is known at which times passages of Photon pairs take place through the interferometer.
Insbesondere kann das Koinzidenzsignal ein High-Signal und das Antikoinzidenzsignal ein Low-Signal sein oder umgekehrt.Especially the coincidence signal can be a high signal and the anticoincidence signal be a low signal or vice versa.
Der Auslösung des Koinzidenzsignals kann ein gesetztes Bit, logische Eins, und derjenigen des Antikoinzidenzsignals ein nicht gesetztes Bit, logische Null, zugeordnet werden. Die XOR-Operation besteht dann darin, daß bei gerader Zahl n und ungerader Zahl m oder umgekehrt eine logische Eins, bei jeweils geraden oder ungeraden Zahlen n, m eine logische Null ausgegeben wird. Jedoch kann alternativ hierzu der Auslösung des Koinzidenzsignals ein ungesetztes Bit, logische Null, und derjenigen des Antikoinzidenzsignals ein gesetztes Bit, logische Eins, zugeordnet werden. Dann besteht die XOR-Operation darin, daß bei gerader Zahl n und ungerader Zahl m oder umgekehrt eine logische Null, bei jeweils geraden oder ungeraden Zahlen n, m eine logische Eins ausgegeben wird; eine derartige Variante einer XOR-Operation kann auch als inverse XOR-Operation bezeichnet werden.Of the release of the coincidence signal may be a set bit, logical one, and that of the anti-coincidence signal is a bit not set, logical Zero, to be assigned. The XOR operation is then that when straightened Number n and odd number m or conversely a logical one, at each even or odd numbers n, m outputs a logical zero becomes. However, alternatively, the triggering of the coincidence signal an unset bit, logic zero, and that of the anticoincidence signal a set bit, logical one, are assigned. Then exists the XOR operation is that at even number n and odd number m or conversely a logical one Zero, for each even or odd number n, m is a logical one One is issued; such a variant of an XOR operation can also be called an inverse XOR operation be designated.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert somit auf Zwei-Photonen-Interferenz. Erfindungsgemäß sind der optische Weglängenunterschied D sowie die ganzen Zahlen n und m so gewählt, daß das erste und das zweite Photon in dem Strahlenkoppler interferieren. Klassisch wäre zu erwarten, daß Wahrscheinlichkeit dafür, daß das erste Photon den Strahlenkoppler durch den ersten Kopplerausgang und das zweite Photon den Strahlenkoppler durch den zweiten Kopplerausgang verläßt oder umgekehrt, genau 50% beträgt. Aufgrund quantenoptischer Effekte hängt die Wahrscheinlichkeit für Koinzidenz jedoch vom optischen Weglängenunterschied D sowie von der ersten und zweiten Verzögerung d1, d2 und damit insbesondere von den Zahlen n und m ab. Daher hängt die Wahrscheinlichkeit für Koinzidenz insbesondere davon ab, ob eine der beiden Zahlen n, m eine gerade und die andere eine ungerade Zahl ist oder ob beide Zahlen n, m jeweils gerade Zahlen oder ungerade Zahlen sind.The inventive method is thus based on two-photon interference. According to the invention optical path length difference D and the integers n and m are chosen so that the first and the second Photon interfere in the beam coupler. Classic would be expected that probability for this, that this first photon the beam coupler through the first coupler output and the second photon the beam coupler through the second coupler output leaves or conversely, exactly 50%. Due to quantum optical effects, the probability depends for coincidence however, from the optical path length difference D and of the first and second delay d1, d2 and thus in particular from the numbers n and m. Therefore, the probability depends for coincidence in particular, whether one of the two numbers n, m is even and the other is an odd number or both numbers are n, m each are even numbers or odd numbers.
Die Abhängigkeit der Wahrscheinlichkeit für Koinzidenz vom optischen Weglängenunterschied D ist in jedem dieser Fälle relativ kompliziert. Trägt man die genannte Wahrscheinlichkeit gegen den optischen Weglängenunterschied als Kurve auf, so zeigt diese Kurve eine Mehrzahl von Minima und Maxima, d.h. von Extremwerten. Man erhält aufgrund der Photonenpaar-Interferenz ein sogenanntes Interferenzmuster vierter Ordnung. Der Kurvenverlauf sowie die Gestalt und Lage der Extremwerte ändert sich, wenn die erste oder zweite Verzögerung d1, d2 verändert werden.The dependence the probability of coincidence from the optical path length difference D is in each of these cases relatively complicated. Wearing one said probability against the optical path length difference as a curve, so this curve shows a plurality of minima and Maxima, i. of extreme values. One gets due to the photon pair interference a so-called fourth order interference pattern. The curve as well as the shape and location of extreme values changes when the first or second delay d1, d2 are changed.
Diese Interferenzeffekte werden erfindungsgemäß ausgenutzt. Bei geeigneter Wahl des optischen Weglängenunterschiedes D ist die Wahrscheinlichkeit für Koinzidenz signifikant dann höher als 50%, wenn n eine gerade und m eine ungerade Zahl ist oder umgekehrt, wobei ein Hauptmaximum existiert, in welchem für einen bestimmten Wert des optischen Weglängenunterschiedes D eine Koinzidenzwahrscheinlichkeit von 100% erreicht wird.These Interference effects are exploited according to the invention. If appropriate Choice of optical path length difference D is the probability for Coincidence significantly higher then 50%, if n is an even number and m is an odd number, or vice versa, where a main maximum exists, in which for a given value of the optical path length D a coincidence probability of 100% is achieved.
Der Strahlenkoppler kann z.B. ein polarisierender Strahlteiler oder ein Schmelzkoppler sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Strahlenkoppler so eingerichtet, daß im klassischen Fall, d.h. ohne Interferenz in seinem Inneren, ein Photon, welches in den ersten Kopplereingang einfällt, den Strahlenkoppler mit einer Wahrscheinlichkeit von im wesentlichen je 50% durch den ersten oder den zweiten Kopplerausgang verläßt, und ein Photon, welches in den zweiten Kopplereingang einfällt, den Strahlenkoppler ebenfalls mit einer Wahrscheinlichkeit von im wesentlichen je 50% durch den ersten oder den zweiten Kopplerausgang verläßt, d.h., daß im wesentlichen kein Kopplereingang und kein Kopplerausgang bevorzugt sind.Of the Beam coupler may e.g. a polarizing beam splitter or be a fusion coupler. According to one preferred embodiment the beam coupler is arranged so that in the classical case, i. without interference in its interior, a photon, which in the first Input of the coupler, the beam coupler with a probability of substantially each leaves 50% through the first or the second coupler output, and a photon which enters the second coupler input, the Beam coupler also with a probability of substantially each leaving 50% through the first or the second coupler output, i. that in the essentially no coupler input and no coupler output preferred are.
Gemäß einer bevorzugten Variante, welche den Vorteil einer verbesserten Trennung der genannten Extremwerte besitzt, ist der Wert x1 ein Wert aus dem Intervall –λ1/8...+λ1/8, vorzugsweise aus dem Intervall –λ1/1h...+λ1/16, und der Wert x2 ein Wert aus dem Intervall –λ2/8...+λ2/8, vorzugsweise aus dem Intervall –λ2/16...+λ2/ib.According to a preferred variant, which has the advantage of improved separation of the said extreme values is the value x1, a value from the interval 1 -λ /8...+λ 1/8, preferably from the In interval -λ 1 /1h...+λ 1 / 16th, and the value x2, a value from the interval -λ 2 /8...+λ 2/8, preferably in the interval -λ 2/16 ... + λ 2 / ib.
Gerade Zahlen n, m können als logische Eingangsgrößen 1 und ungerade Zahlen n, m als logische Eingangsgrößen 0 der XOR-Operation interpretiert werden, oder umgekehrt. Das Koinzidenzsignal kann als Ausgangsgröße der XOR-Operation herangezogen werden, wobei ausgelöstes Koinzidenzsignal als logische 1 und ein ausgelöstes Antikoinzidenzsignal als logische 0 interpretiert werden kann. Die XOR-Operation besteht in diesem Fall darin, daß gleiche Eingangsgrößen 0,0 oder 1,1 mit einer signifikant höheren Wahrscheinlichkeit als 50% zu einer logischen Ausgangsgröße 0 und ungleiche Eingangsgrößen 0,1 oder 1,0 1 mit einer signifikant höheren Wahrscheinlichkeit als 50% zu einer logischen Ausgangsgröße 1 führen.Just Numbers n, m can as logical input variables 1 and odd numbers n, m are interpreted as logical input variables 0 of the XOR operation be, or vice versa. The coincidence signal can be used as the output of the XOR operation be used, where triggered coincidence signal as a logical 1 and a triggered one Anti-coincidence signal can be interpreted as a logical 0. The XOR operation in this case is that equal inputs 0.0 or 1.1 with a significantly higher Probability as 50% to a logical output 0 and unequal input values 0.1 or 1.0 1 with a significantly higher probability than 50% lead to a logical output 1.
Gemäß einer Ausführungsform sind das erste und das zweite optische Element jeweils so eingerichtet, daß die Zahlen n und m nur jeweils die Werte 0 oder 1 annehmen können.According to one embodiment each of the first and second optical elements is arranged to that the Numbers n and m can only assume the values 0 or 1 respectively.
Die Wahrscheinlichkeit dafür, daß das Koinzidenzsignal ausgelöst wird, wenn n eine gerade und m eine ungerade Zahl ist oder umgekehrt, kann durch geeignete Anpassung des optischen Weglängenunterschiedes D weit über 50% hinaus, nämlich bis auf maximal 100%, gesteigert werden. Gemäß einer Variante der Erfindung wird der optische Weglängenunterschied S so gewählt, daß die Wahrscheinlichkeit für Koinzidenz höher als 75%, bevorzugt höher als 99% ist, wenn n eine gerade und m eine ungerade Zahl ist oder umgekehrt. In diesem Fall wird das Koinzidenzsignal mit einer höheren Wahrscheinlichkeit als 75%, bzw. bevorzugt mit einer höheren Wahrscheinlichkeit als 99%, ausgelöst, wenn eine der beiden Zahlen n oder m eine gerade und die andere der beiden Zahlen n oder m eine ungerade Zahl ist.The Probability of that this Coincidence signal triggered if n is an even number and m is an odd number or vice versa, can by suitable adaptation of the optical path length difference D far over 50%, namely up to a maximum of 100%. According to a variant of the invention becomes the optical path length difference S so chosen that the Probability for Coincidence higher than 75%, preferably higher than 99% is when n is an even and m is an odd number or vice versa. In this case, the coincidence signal becomes more likely than 75%, or preferably with a higher Probability as 99%, triggered when one of the two numbers n or m one straight and the other of the two numbers n or m one odd number is.
Eine gewisse statistische Unsicherheit entsteht dadurch, daß auch dann, wenn n eine gerade und m eine ungerade Zahl ist oder umgekehrt, die Wahrscheinlichkeit für Koinzidenz selbst bei optimaler Abstimmung des optischen Weglängenunterschiedes D zwar näherungsweise, aber nicht mathematisch exakt 100% erreichen wird. Weitere statistische Unsicherheit entsteht dadurch, daß im Mittel ein bestimmter Anteil der Photonen beim Durchgang durch das Interferometer absorbiert wird, da der Transmissionsgrad des Interferometers selbstverständlich nicht volle 100% erreichen kann. Die Wahrscheinlichkeit dafür, daß ein bestimmtes Photonenpaar, für welches gilt, daß n eine gerade und m eine ungerade Zahl ist oder umgekehrt, das Koinzidenzsignal tatsächlich auslöst, kann daher in der Praxis zwar ohne weiteres auf Werte über 95% gebracht werden, wird jedoch immer zumindest geringfügig unterhalb von 100% liegen.A certain statistical uncertainty arises because even then, if n is an even number and m is an odd number or vice versa, the probability for Coincidence even with optimal matching of the optical path length difference D though approximately, but not 100% mathematically exactly. Further statistical Uncertainty arises from the fact that on average a certain Proportion of photons absorbed when passing through the interferometer is, as the transmittance of the interferometer of course not can reach 100% full. The probability that a particular Photon pair, for which holds that n one is even and m is an odd number, or vice versa, the coincidence signal indeed triggers, Therefore, in practice, it can easily reach values above 95%. but always at least slightly below of 100%.
Um den statistischen Unsicherheiten zu begegnen, wird gemäß einer Variante der Erfindung ein Zähler bei Koinzidenz imkrementiert bei Antikoinzidenz dekrementiert bzw. umgekehrt, wobei das Koinzidenzsignal nur dann ausgelöst wird, wenn ein bestimmter vorgegebener erster Zählerstand überschritten wird, und das Antikoinzidenzsignal nur dann ausgelöst wird, wenn ein bestimmter vorgegebener zweiter Zählerstand unterschritten wird, bzw. umgekehrt. Zu diesem Zweck kann die Koinzidenzschaltung einen Zähler umfassen, welchen sie bei Feststellung einer Koinzidenz imkrementiert und bei Feststellung einer Antikoinzidenz dekrementiert, bzw. umgekehrt, wobei die Koinzidenzschaltung das Koinzidenzsignal nur dann auslöst, wenn ein bestimmter vorgegebener erster Zählerstand überschritten wird, und das Antikoinzidenzsignal nur dann auslöst, wenn ein bestimmter vorgegebener zweiter Zählerstand unterschritten wird, bzw. umgekehrt.Around to meet the statistical uncertainties is, according to a Variant of the invention a counter when coincidence is incremented, it is decremented in the case of anticoincidence vice versa, where the coincidence signal is only triggered when a certain predetermined first count is exceeded, and the Anti-coincidence signal is only triggered when a specific predetermined second meter reading is fallen below, or vice versa. For this purpose, the coincidence circuit a counter which it increments upon detection of coincidence and decremented upon detection of anticoincidence, or vice versa, wherein the coincidence circuit triggers the coincidence signal only when a certain predetermined first count is exceeded, and the Anti-coincidence signal only triggers when a given given second meter below is, or vice versa.
Gemäß einer modifizierten Variante wird ein Zähler bei Koinzidenz imkrementiert bei Antikoinzidenz dekrementiert wird bzw. umgekehrt, wobei das Koinzidenzsignal nur dann ausgelöst wird, wenn innerhalb einer vorgegebenen ersten Zählzeitdauer ein bestimmter vorgegebener erster Zählerstand überschritten wird, und das Antikoinzidenzsignal nur dann ausgelöst wird, wenn innerhalb einer vorgegebenen zweiten Zählzeitdauer ein bestimmter vorgegebener zweiter Zählerstand unterschritten wird, bzw. umgekehrt. Zu diesem Zweck kann die Koinzidenzschaltung einen Zähler umfassen, welchen sie bei Feststellung einer Koinzidenz imkrementiert und bei Feststellung einer λntikoinzidenz dekrementiert, bzw. umgekehrt, wobei die Koinzidenzschaltung das Koinzidenzsignal nur dann auslöst, wenn innerhalb einer vorgegebenen ersten Zählzeitdauer ein bestimmter vorgegebener erster Zählerstand überschritten wird, und das Antikoinzidenzsignal nur dann auslöst, wenn innerhalb einer vorgegebenen zweiten Zählzeitdauer ein bestimmter vorgegebener zweiter Zählerstand unterschritten wird, bzw. umgekehrt.According to one modified variant, a counter is incremented at coincidence is decremented at Antikoinzidenz or vice versa, where the coincidence signal only triggered if, within a predetermined first count period, a certain predetermined first count exceeded is, and the anti-coincidence signal is only triggered if within a given second counting period a certain predetermined second meter reading is fallen below, or vice versa. For this purpose, the coincidence circuit a counter which it increments upon detection of coincidence and upon detection of a coincidence decrements, or vice versa, wherein the coincidence circuit the Coincidence signal only triggers if within a given first counting time period a certain predetermined first meter reading exceeded is, and the anti-coincidence signal only triggers when within a predetermined second counting period falls below certain predetermined second count, or vice versa.
Durch eine hinreichend hohe Vorgabe des Zählerstandes, welcher zur Auslösung des Koinzidenzsignals bzw. des Antikoinzidenzsignals führt, kann dabei eine beliebig hohe statistische Sicherheit erreicht werden.By a sufficiently high specification of the meter reading, which for triggering the Coincidence signal or the Antikoinzidenzsignals leads may At the same time an arbitrarily high statistical security can be achieved.
Es sind verschiedene Photonenquellen bekannt, welche Photonenpaare abgeben.It different photon sources are known, which photon pairs submit.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden als Photonenquelle ein Primärlaser geeigneter Wellenlänge und ein nichtlinearer optischer Kristall verwendet, wobei der Primärlaser den Kristall mit einen Strahl von Primärphotonen bestrahlt und in dem Kristall mittels optischer parametrischer Fluoreszenz Photonenpaare erzeugt, welche aus dem Kristall austreten und sich jeweils in einem Zweiphotonen-Fock-Zustand befinden, wobei die erste und die zweite Verzögerung jeweils kleiner gewählt sind als die Kohärenzlänge der Primärphotonen. Dieser Prozeß läßt sich insbesondere so führen, daß die beiden Photonen eines Photonenpaares in verschiedenen Richtungen aus dem Kristall austreten, so daß es möglich ist, mit nur geringem apparativen Aufwand das erste Photon jedes Paares in den ersten Arm und das zweite Photon in den zweiten Arm des Interferometers einzukoppeln. Dabei kann der Primärlaser ein Dauerlicht-taser oder ein Puls-Laser sein. Der Primärlaser wird auch als "Pump-Laser" bezeichnet. Der Kristall kann z.B. aus Beta-Barium-Borat, aus Kalium-Deuterium-Phosphat oder aus Lithium-Niobat bestehen.According to a preferred embodiment of the invention, a primary laser of suitable wavelength and a nonlinear optical crystal are used as the photon source, the primary laser irradiating the crystal with a beam of primary photons and optical parametrization in the crystal generates fluorescence photon pairs, which emerge from the crystal and are each in a two-photon Fock state, wherein the first and the second delay are each chosen smaller than the coherence length of the primary photons. In particular, this process can be carried out in such a way that the two photons of a pair of photons emerge from the crystal in different directions, so that it is possible, with only a small amount of equipment, to place the first photon of each pair in the first arm and the second photon in the second arm of the interferometer. In this case, the primary laser can be a continuous light taser or a pulse laser. The primary laser is also referred to as a "pump laser". For example, the crystal may be beta barium borate, potassium deuterium phosphate, or lithium niobate.
Die Photonen eines so erzeugten Photonenpaares sind auf mehrere Arten miteinander korreliert und verschränkt. Die entsprechenden Lichtwege, d.h. die zugehörigen Interferometerarme, werden oft Signal- und Idlerarm genannt. Die Kohärenzlänge des ersten bzw. zweiten Photons kann bei Verwendung derartiger Photonenpaar-Quellen typischwerweise 10...500 μm, die Wellenlänge des ersten bzw. zweiten Photons kann z.B. jeweils 1.3 μm betragen.The Photons of a photon pair thus generated are in several ways correlated and crossed. The corresponding light paths, i. the associated Interferometer arms are often called signal and idler arms. The Coherence length of the first and second photons can be when using such photon pair sources typically 10 ... 500 μm, the wavelength of the first and second photons may e.g. each 1.3 microns.
Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die Photonenquelle ein Zweiphotonen-Laser, durch welchen die Photonenpaare erzeugt werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Photonenquelle eine solche, in welcher Quadrupolübergänge oder Kaskadenübergänge stattfinden, durch welche die Photonenpaare erzeugt werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Photonenquelle eine solche, in welcher der Coulomb-Blockade-Effekt auftritt, durch welchen die Photonenpaare erzeugt werden.According to one another embodiment the photon source is a two-photon laser through which the Photon pairs are generated. According to another embodiment the photon source is one in which quadrupole transitions or Cascade transitions take place through which the photon pairs are generated. According to another embodiment is the photon source one in which the Coulomb blockade effect occurs by which the photon pairs are generated.
Die erste optische Verzögerungseinrichtung kann eine erste Verzögerungsplatte und die zweite optische Verzögerungseinrichtung eine zweite Verzögerungsplatte umfassen.The first optical delay device can a first retardation plate and the second optical delay device a second delay plate include.
Im quantenphysikalischen Wellenbild stellt das erste Photon ein Wahrscheinlichkeits-Wellenpaket im Ortsraum dar, welche durch die erste Verzögerungseinrichtung aufgespalten wird in ein erstes vorderes und ein erstes hinteres Wahrscheinlichkeitswellenpaket. Das erste vordere und das erste hintere Wahrscheinlichkeitswellenpaket sind dabei um eine Verzögerung d1 gegeneinander verschoben, so daß die Gesamt-Aufenthaltswahrscheinlichkeit des ersten Photons im Ortsraum nun zwei Maxima aufweist, welche um den Abstand d1 in Bewegungsrichtung des ersten Photons voneinander beabstandet sind. Ebenso weist die Gesamt-Aufenthaltswahrscheinlichkeit des zweiten Photons im Ortsraum nach Passieren der zweiten Verzögerungseinrichtung zwei Maxima auf, nämlich ein vorderes und ein hinteres Maximum, welche um einen Abstand d2 in Bewegungsrichtung des zweiten Photons voneinander beabstandet sind.in the quantum physical wave image, the first photon represents a probability wave packet in the spatial space, which are split by the first delay device is placed in a first front and a first rear probability wave packet. The first front and the first rear probability wave packet are a delay d1 shifted against each other so that the total probability of residence of the first photon in space now has two maxima, which by the distance d1 in the direction of movement of the first photon from each other are spaced. Similarly, the overall residence probability of the second photon in space after passing the second delay means two maxima, namely a front and a rear maximum, which by a distance d2 spaced apart in the direction of movement of the second photon are.
Die erste bzw. zweite optische Verzögerungseinrichtung können einen einachsig oder mehrachsig doppelbrechenden ersten bzw. zweiten Kristall umfassen, wobei keine der optischen Achsen des ersten bzw. zweiten Kristalls zu der Ausbreitungsrichtung des ersten bzw. zweiten Photons in dem ersten bzw. zweiten Kristall parallel angeordnet ist. Die relative Größe der beiden Maxima hängt für beide Photonen jeweils von der Orientierung zwischen der Polrarisationsrichtung des Photons und der optischen Achsen des Kristalls ab. Insbesondere können die erste bzw. zweite Verzögerungsplatte jeweils ein doppelbrechender Kristall sein, dessen langsame und dessen schnelle Achse jeweils senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des ersten bzw. zweiten Photons stehen und mit der Polarisationsrichtung des ersten bzw. zweiten Photons jeweils einen Winkel zwischen 40° und 50°, vorzugsweise 45°, bilden. Im Fall des bevorzugten Winkels von 45° sind das vordere und das hintere Maximum der Aufenthaltswahrscheinlichkeit des ersten bzw. zweiten Photons gleich groß.The first or second optical delay device can a uniaxial or multiaxial birefringent first or second Crystal, wherein none of the optical axes of the first or second crystal to the propagation direction of the first and second Photons in the first and second crystal arranged in parallel is. The relative size of the two Maxima hangs for both Photons each of the orientation between the Polrarisationsrichtung of the photon and the optical axes of the crystal. Especially can the first and second retardation plates, respectively each be a birefringent crystal, its slow and its fast axis in each case perpendicular to the propagation direction of the first and second photons and with the polarization direction each of the first and second photons has an angle between 40 ° and 50 °, preferably 45 °, form. In the case of the preferred angle of 45 ° are the front and the rear Maximum of the probability of residence of the first or second Photons same size.
Die doppelbrechenden Kristalle sind dabei bevorzugt einachsig und so angeordnet, daß sowohl ihre langsame als auch ihre schnelle Achse jeweils senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des ersten bzw. zweiten Photons stehen.The birefringent crystals are preferably uniaxial and so on arranged that both their slow as well as their fast axis each perpendicular to the propagation direction of the first and second photons.
Im Wellenbild wird der Aufenthaltsort eines Photons durch eine Wahrscheinlichkeitswelle beschrieben, wobei sich das Photon in einem Wahrscheinlichkeitswellenpaket befindet. Nach Passieren des doppelbrechenden Kristalls, dessen langsame und schnelle Achse ausgerichtet sind wie oben angegeben, ist das Photon mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit parallel zur schnellen Achse polarisiert und mit einer hierzu komplementären Wahrscheinlichkeit parallel zur langsamen Achse polarisiert. Wenn das Photon parallel zur schnellen Achse polarisiert ist, durchläuft es den doppelbrechenden Kristall schneller, als wenn es parallel zu langsamen Achse polarisiert ist. Das in den doppelbrechenden Kristall eintretende Wahrscheinlichkeitswellenpaket spaltet sich also beim Durchgang durch denselben in zwei Teile auf, nämlich in einen vorderen und einen gegenüber diesem verzögerten hinteren Teil. In dem doppelbrechenden Kristall laufen daher die beiden auf diese Hauptachsen projizierten Anteile des Photons aufgrund der Doppelberechnung auseinander.in the Wave image becomes the location of a photon through a probability wave described, wherein the photon in a probability wave packet located. After passing the birefringent crystal, whose slow and fast axis are aligned as indicated above, the photon is parallel with a certain probability polarized to fast axis and with a complementary thereto probability polarized parallel to the slow axis. If the photon is parallel polarized to the fast axis, it passes through the birefringent Crystal faster than when polarized parallel to slow axis is. The probability wave packet entering the birefringent crystal splits as it passes through it into two parts, namely in a front and a delayed against this rear Part. In the birefringent crystal, therefore, the two run up these major axes projected portions of the photon due to the Double calculation apart.
Nach Passieren des doppelbrechenden Kristalls befindet sich daher das Photon entweder in einem vorderen oder in einem gegenüber diesem verzögerten hinteren Wahrscheinlichkeitswellenpaket.To Passing the birefringent crystal is therefore the Photon either in a front or in front of this one delayed rear probability shaft package.
Das erste Photon befindet sich daher nach Passieren des ersten doppelbrechenden Kristalls, dessen langsame und schnelle Achse ausgerichtet sind wie oben angegeben, entweder in einem ersten vorderen oder in einem gegenüber diesem um eine erste Verzögerung verzögerten ersten hinteren Wahrscheinlichkeitswellenpaket. Ebenso befindet sich das zweite Photon nach Passieren des zweiten doppelbrechenden Kristalls, dessen langsame und schnelle Achse ebenfalls ausgerichtet sind wie oben angegeben, entweder in einem zweiten vorderen oder in einem gegenüber diesem um eine zweite Verzögerung verzögerten zweiten hinteren Wahrscheinlichkeitswellenpaket.The first photon is therefore after passing the first birefringent Crystal, whose slow and fast axis are aligned as stated above, either in a first front or in a first across from this one for a first delay delayed first rear probability wave packet. Likewise is the second photon after passing the second birefringent crystal, its slow and fast axis are also aligned like stated above, either in a second front or in one across from this by a second delay delayed second rear probability wave packet.
Der ersten und der zweiten Verzögerungsplatte ist gemäß einer bevorzugten Verfeinerung dieser Variante jeweils ein Polarisator vorgeschaltet, so daß das erste und das zweite Photon vor dem Auftreffen auf die erste bzw. zweite Verzögerungsplatte polarisiert werden.Of the first and second delay plate is according to one preferred refinement of this variant in each case a polarizer upstream, so that the first and the second photon before hitting the first and second, respectively Retarder plate polarized become.
Den doppelbrechenden Kristallen können Polarisatoren vorgeschaltet sein. Alternativ dazu wird eine solche Photonenquelle verwendet, welche bereits von sich aus erste und zweite Photonen mit jeweils fester Polarisationsrichtung abgibt, was z.B. bei vielen Photonenquellen der Fall ist, in welchen ein Primärlaser und ein nichtlinearer optischer Kristall zum Einsatz kommen, wobei in dem Kristall durch optische parametrische Fluoreszenz Photonenpaare erzeugt werden.The birefringent crystals can be polarizers be upstream. Alternatively, such a photon source becomes which already uses first and second photons each with a fixed polarization direction, which is e.g. in many Photon sources are the case in which a primary laser and a non-linear optical crystal are used, wherein in the crystal is generated by optical parametric fluorescence photon pairs become.
Um die oben beschriebene quantenoptische XOR-Operation nacheinander für verschiedene Zahlenpaare n, m ausführen zu können, müssen die Verzögerungen d1, d2 zeitlich veränderbar sein. Gemäß einer Ausführungsform umfaßt daher die erste optische Verzögerungseinrichtung ein erstes optisches Steuerelement mit einem ersten Steuereingang, über welchen die erste Verzögerung d1 so steuerbar ist, daß die Zahl n eine gerade bzw. ungerade Zahl ist, falls am ersten Steuereingang ein erster bzw. ein zweiter Spannungswert anliegt, und die zweite optische Verzögerungseinrichtung ein zweites optisches Steuerelement mit einem zweiten Steuereingang, über welchen die zweite Verzögerung d2 so steuerbar ist, daß die Zahl m eine gerade bzw. ungerade Zahl ist, falls am zweiten Steuereingang ein dritter bzw. ein vierter Spannungswert anliegt. Die erste Verzögerung d1 wird über den ersten Steuereingang so gesteuert, daß die Zahl n eine gerade bzw. ungerade Zahl ist, falls am ersten Steuereingang der erste bzw. der zweite Spannungswert anliegt, und die zweite wird über den zweiten Steuereingang so gesteuert, daß die Zahl m eine gerade bzw. ungerade Zahl ist, falls am zweiten Steuereingang der dritte bzw. der vierte Spannungswert anliegt.Around the above-described quantum-optical XOR operation successively for different Execute number pairs n, m to be able to have to the delays d1, d2 can be changed over time be. According to one embodiment comprises hence the first optical delay device a first optical control with a first control input, via which the first delay d1 is controllable so that the Number n is an even or odd number, if at the first control input a first and a second voltage value is applied, and the second optical delay device a second optical control having a second control input via which the second delay d2 is controllable so that the Number m is an even or odd number, if at the second control input a third or a fourth voltage value is applied. The first delay d1 will over the first control input controlled so that the number n is a straight or odd number is, if at the first control input the first or the second voltage value is applied, and the second is applied via the second control input controlled so that the number m is a straight or odd number is, if at the second control input the third resp. the fourth voltage value is applied.
Der Zahl n wird somit ein Spannungswert zugeordnet, welcher an den ersten Steuereingang angelegt wird und dadurch die erste Verzögerung d1 beeinflußt. Bestimmten Spannungswerten entsprechen geraden Werten der Zahl n, andere Spannungswerte ungeraden Werten der Zahl n. Die Zahl n wird somit in einen Abstand d1 zwischen dem vorderen und dem hinteren Maximum der Aufenthaltswahrscheinlichkeit des ersten Photons umgesetzt oder, anders ausgedrückt, in den ersten Interferometerarm "kodiert". Interpretiert man, wie oben dargelegt, gerade Werte für n als logische "1" und ungerade Werte für n als logische "0", oder umgekehrt, so läßt sich auf diese Weise ein beliebiger Bitcode in den ersten Interferometerarm kodieren.Of the Number n is thus assigned a voltage value, which to the first Control input is applied and thereby affects the first delay d1. certain Voltage values correspond to even values of the number n, other voltage values odd numbers of the number n. The number n will thus be at a distance d1 between the front and the back maximum of the probability of residence of the first photon or, in other words, in "coded" the first interferometer arm. If you interpret, As stated above, even values for n as logical "1" and odd values for n as logical "0", or vice versa, can be in this way, any bit code in the first interferometer encode.
In Analogie hierzu wird gemäß der in Rede stehenden Ausführungsform der Erfindung der Zahl m ein Spannungswert zugeordnet, welcher an den zweiten Steuereingang angelegt wird und dadurch die zweite Verzögerung d1 beeinflußt. Die Zahl m wird somit in einen Abstand d2 zwischen dem vorderen und dem hinteren Maximum der Aufenthaltswahrscheinlichkeit des zweiten Photons "kodiert". Interpretiert man, wie oben dargelegt, gerade Werte für m als logische "1" und ungerade Werte für m als logische "0", oder umgekehrt, so läßt sich auf diese Weise ein beliebiger Bitcode auch in den zweiten Interferometerarm kodieren.In Analogous to this, according to the in Presented embodiment the invention of the number m assigned a voltage value, which at the second control input is applied and thereby the second delay d1 affected. The number m is thus at a distance d2 between the front and the rear maximum of the probability of residence of the second Photons "coded". If you interpret, as stated above, even values for m as logical "1" and odd values for m as logical "0", or vice versa, that's how it works in this way, any bitcode even in the second interferometer encode.
Die genannten Bitcodes können erfindungsgemäß durch die oben erläuterte XOR-Operation miteinander verknüpft werden. Zu diesem Zweck wird das Verfahren gemäß einer weiteren Variante mehrmals nacheinander ausgeführt, wobei die erste Verzögerung d1 zeitlich so gesteuert wird, daß die Zahl n eine erste vorgegebene Folge von geraden und ungeraden Zahlen durchläuft, entsprechend der ersten Bitfolge, und synchron hierzu die zweite Verzögerung d2 zeitlich so gesteuert wird, daß die Zahl m eine zweite vorgegebene Folge von geraden und ungeraden Zahlen durchläuft, entsprechend der zweiten Bitfolge, so daß der Wechsel der resultierenden Auslösungen des Koinzidenzsignals und des Antikoinzidenzsignals der logischen XOR-Verknüpfung der ersten und der zweiten Folge entspricht, falls gerade Zahlen n bzw. m jeweils als logische Eins und ungerade Zahlen n bzw. m jeweils als logische Null oder umgekehrt interpretiert werden.The called bitcodes according to the invention the above explained XOR operation together connected become. For this purpose, the method according to another variant is repeated several times executed in succession, being the first delay d1 is controlled in time so that the number n is a first predetermined Sequence of even and odd numbers, according to the first bit sequence, and synchronously, the second delay d2 so controlled in time will that the Number m is a second predetermined sequence of even and odd numbers goes through according to the second bit sequence, so that the change of the resulting trips of the coincidence signal and the anti-coincidence signal of the logical XOR the first and the second sequence corresponds, if even numbers n or m respectively as logical one and odd numbers n and m respectively each interpreted as logical zero or vice versa.
Gemäß einer Modifikation dieser Variante werden hierbei die erste Verzögerung d1 und die zweite Verzögerung d2 zeitlich so gesteuert, daß auf jedes in das Interferometer einfallende oder auf jedes das Interferometer durchlaufende Photonenpaar genau ein Element der ersten und genau ein Element der zweiten Folge entfällt. Gemäß einer anderen Modifikation dieser Variante werden die erste Verzögerung d1 und die zweite Verzögerung d2 zeitlich so gesteuert, daß auf jedes in das Interferometer einfallende oder auf jedes das Interferometer durchlaufende Photonenpaar mindestens ein Element der ersten und ein Element der zweiten Folge entfällt.According to a modification of this variant, in this case the first delay d1 and the second delay d2 are controlled in time so that exactly one element of the first and exactly one element of the second sequence is omitted for each photon pair entering the interferometer or passing through each of the interferometers. According to another modification of this variant, the first delay d1 and the second delay d2 are controlled in time so that each incident on the interferometer or on each passing through the interferometer Photon pair at least one element of the first and one element of the second sequence is omitted.
Gemäß einer weiteren Modifikation dieser Variante werden die erste Verzögerung d1 und die zweite Verzögerung d2 zeitlich so gesteuert, daß auf jedes in das Interferometer einfallende oder auf jedes das Interferometer durchlaufende Photonenpaar im Mittel mindestens ein Element der ersten und ein Element der zweiten Folge entfällt.According to one Further modification of this variant, the first delay d1 and the second delay d2 timed so that on each entering the interferometer or on each the interferometer passing photon pair averages at least one element of the first and one element of the second sequence is omitted.
Die Bits der beiden Bitcodes werden bei den drei letztgenannten Modifikationen also jeweils bitweise oder im Mittel bitweise in jeweils einzelne Photonen kodiert. Um ein Bit abzuhören, steht der abhörenden Partei somit genau ein Photon oder höchstens ein Photon oder im Mittel höchstens ein Photon zur Verfügung. Dieses Photon steht dann für eine XOR-Operation nicht mehr oder nur noch in veränderter Form zur Verfügung; Ein Abhörversuch an diesen Photonen wird diese nämlich aufgrund quantenmechanischer Prinzipien verändern, und diese Veränderung kann vom Sender und vom Empfänger detektiert werden.The Bits of the two bit codes become the last three modifications in each case bitwise or on average bitwise in each individual Photons encoded. To intercept a bit is the intercepting party thus exactly one photon or at most a photon or on average at most a photon available. This photon then stands for an XOR operation no longer or only in changed Form available; A listening attempt This is because of these photons change based on quantum mechanical principles, and this change can be from the sender and the receiver be detected.
Gemäß einer vorteilhaften Variante wird immer dann jeweils das nächste Bit der betreffenden Bitcodes in den ersten bzw. zweiten Interferometerarm kodiert, wenn entweder das Koinzidenzsignal oder das Antikoinzidenzsignal ausgelöst wurde. Um dies synchron für beide Interferometerarme zu ermöglichen, kann die Auslösung des Koinzidenzsignals bzw. Antikoinzidenzsignals z.B. nach Art eines "hand-shaking"-Betriebes über eine Rückmeldeleitung an die beiden Parteien zurückgemeldet werden. Die Kodierungen können dabei so vorgenommen werden, daß auf jedes in das Interferometer einfallende oder auf jedes das Interferometer durchlaufende Photonenpaar genau ein Bit oder im Mittel ein Bit jedes der beiden Bitcodes entfällt. Die Bits der beiden Bitcodes werden hierbei also bitweise oder im Mittel bitweise in jeweils einzelne Photonen kodiert; die hiermit aus quantenmechanischen Gründen verbundenen erheblichen Vorteile bezüglich der Abhörsicherheit wurden bereits oben erläutert.According to one Advantageous variant is always the next bit the respective bit codes in the first and second interferometer when either the coincidence signal or the anti-coincidence signal triggered has been. To do this in sync for to allow both interferometer arms can the triggering of the coincidence signal or anti-coincidence signal, e.g. in the manner of a "hand-shaking" operation over one Feedback line reported back to the two parties become. The encodings can be made so that on each incident into the interferometer or to each the interferometer passing photon pair exactly one bit or on average one bit each of the two bitcodes is omitted. The bits of the two bit codes are bitwise or in this case Means coded bit by bit into individual photons; the hereby for quantum mechanical reasons associated significant advantages in terms of privacy have already been explained above.
Ein Soleil-Kompensator ist ein optisches Verzögerungselement mit zwei keilförmigen Kristallen, wobei die Verzögerung verändert wird, wenn einer der beiden keilförmigen Kristalle gegenüber dem anderen in ein einer bestimmten Richtung verschoben wird. Diese Verschiebung kann mittels eines elektrisch angesteuerten Piezo-Kristalls erfolgen. Als erstes bzw. zweites optische Steuer element kann daher ein mit einem ersten bzw. zweiten Piezo-Kristall versehener erster bzw. zweiter Soleil-Kompensator verwendet werden, wobei die erste bzw. zweite Verzögerung durch Anlegen des ersten oder zweiten Spannungswertes an den ersten Piezo-Kristall bzw. durch Anlegen des dritten oder vierten Spannungswertes an den zweiten Piezo-Kristall elektrisch gesteuert wird. Die Eingangsgrößen n, m der XOR-Operation sind somit durch entsprechendes Einstellen der Kompensatoren vorgebbar. Die Kompensatoren können auch als Babinet-Kompensatoren ausgebildet sein.One Soleil compensator is an optical retardation element with two wedge-shaped crystals, wherein the delay changed when one of the two wedge-shaped crystals opposite the others in a certain direction. These Displacement can be achieved by means of an electrically controlled piezo-crystal respectively. As a first or second optical control element can therefore a with a first and second piezo crystal provided first or second Soleil compensator can be used, wherein the first or second delay by applying the first or second voltage value to the first Piezo crystal or by applying the third or fourth voltage value the second piezoelectric crystal is electrically controlled. The input quantities n, m The XOR operation is thus by appropriate adjustment of the compensators predetermined. The compensators can also be designed as Babinet compensators.
Gemäß einer anderer Ausführungsformen der Erfindung sind die erste bzw. zweite optische Verzögerungseinrichtung ein Mach-Zehnder-Interferometer oder ein Michelson-Interferometer oder ein Fabry-Perot-Interferometer oder ein Etalon oder ein Echelon mit jeweils zwei Interferometerzweigen, wobei der Gangunterschied zwischen den Interferometerzweigen mechanisch und/oder elektrooptisch und/oder magnetooptisch verstellbar ist.According to one Other embodiments of the Invention are the first and second optical delay device a Mach-Zehnder interferometer or a Michelson interferometer or a Fabry-Perot interferometer or an etalon or an echelon each with two Interferometerzweigen, where the gait difference between the interferometer branches mechanically and / or electro-optically and / or is magneto-optically adjustable.
Gemäß einer bevorzugten Variante ist der ersten optischen Verzögerungseinrichtung ein erster Polarisator und/oder der zweiten optischen Verzögerungseinrichtung ein zweiter Polarisator nachgeschaltet, so daß das erste Photon nach Passieren der ersten optischen Verzögerungseinrichtung und/oder das zweite Photon nach Passieren der zweiten optischen Verzögerungseinrichtung jeweils polarisiert werden. Vorteilhaft hierbei ist, daß nur solche erste bzw. zweite Photonen in den Strahlenkoppler gelangen, welche eine bestimmte Polarisationsrichtung besitzen.According to one preferred variant is the first optical delay device a first polarizer and / or the second optical delay device followed by a second polarizer, so that the first photon after passing the first optical delay device and / or the second photon after passing the second optical delay means each polarized. The advantage here is that only such first or second photons get into the beam coupler, which have a certain polarization direction.
Insbesondere können vorteilhaft das erste Photon nach Passieren der ersten optischen Verzögerungseinrichtung und/oder das zweite Photon nach Passieren der zweiten optischen Verzögerungseinrichtung jeweils so polarisiert werden, daß sich die Polarisationsrichtung des ersten Photons bei dessen Ankunft in dem Strahlenkoppler um weniger als 5°, vorzugsweise um weniger als 1° von der Polarisationsrichtung des zweiten Photons bei dessen Ankunft in dem Strahlenkoppler unterscheidet. Zu diesem Zweck können der erste und der zweite Polarisator so orientiert sein, daß das sich die Polarisationsrichtung des ersten Photons bei dessen Ankunft in dem Strahlenkoppler um weniger als 5°, vorzugsweise um weniger als 1° von der Polarisationsrichtung des zweiten Photons bei dessen Ankunft in dem Strahlenkoppler unterscheidet. Diese Variante besitzt den Vorteil einer verbesserten Trennung der oben bereits erläuterten Extremwerte.Especially can Advantageously, the first photon after passing the first optical delay means and / or the second photon after passing the second optical delay means each polarized so that the polarization direction of the first photon upon its arrival in the beam coupler less than 5 °, preferably less than 1 ° of the polarization direction of the second photon upon its arrival differs in the beam coupler. For this purpose, the first and the second polarizer be oriented so that the the polarization direction of the first photon when it arrives in the beam coupler by less than 5 °, preferably by less than 1 ° from the Polarization direction of the second photon on its arrival in the beam coupler differs. This variant has the advantage an improved separation of the already explained above extreme values.
Die Polarisatoren können insbesondere als polarisierende Strahlteiler ausgebildet sein. In einer Ausführungsform der Erfindung ist daher der erste Polarisator ein erster polarisierender Strahlteiler mit einem ersten und einem zweiten Strahlteiler-Ausgang und der zweite Polarisator ein zweiter polarisierender Strahlteiler mit einem dritten und einem vierten Strahlteiler-Ausgang, wobei der erste Strahlteiler-Ausgang in den ersten Kopplereingang und der zweite Strahlteiler-Ausgang in ein erstes Registriergerät mündet, welches das erste Photon zu registrieren imstande ist, und der dritte Strahlteiler-Ausgang in den zweiten Kopplereingang und der vierte Strahlteiler-Ausgang in ein zweites Registriergerät mündet, welches das zweite Photon zu registrieren imstande ist.The polarizers can be designed in particular as polarizing beam splitters. In one embodiment of the invention, therefore, the first polarizer is a first polarizing beam splitter having a first and a second beam splitter output and the second polarizer is a second polarizing beam splitter having a third and a fourth beam splitter output, wherein the first beam splitter output in the first Coupler input and the second beam splitter output in a first register device, which is capable of registering the first photon, and the third beam splitter output terminates in the second coupler input and the fourth beam splitter output terminates in a second recorder capable of registering the second photon.
Diese Variante ist aus folgendem Grund vorteilhaft: falls das erste Photon eines Photonenpaares den ersten polarisierenden Strahlteiler durch den zweiten Strahlteiler-Ausgang verläßt, oder falls das zweite Photon des Photonenpaares den zweiten polarisierenden Strahlteiler durch den vierten Strahlteiler-Ausgang verläßt, geht das betreffende Photonenpaar eines Photons verlustig und kann somit nicht mehr zu einer Koinzidenz, aber auch nicht mehr zu einer Antikoinzidenz führen. Wenn jedoch das übrig gebliebene Photon dieses Photonenpaares einen der Detektoren erreicht und dieser, was in der Praxis häufig der Fall ist, nicht imstande ist zu unterscheiden, ob ein einzelnes Photon allein oder beide Photonen eines Photonenpaares eingefallen sind, so wird irrtümlich eine Antikoinzidenz festgestellt und damit auch das Ergebnis der XOR-Operation verfälscht. Diese Fälle können mit Hilfe der in Rede stehenden Variante als solche erkannt werden.These Variant is advantageous for the following reason: if the first photon of a photon pair through the first polarizing beam splitter leaves the second beam splitter output, or if the second photon of the photon pair through the second polarizing beam splitter leaves the fourth beam splitter output, the photon pair in question goes loss of a photon and thus can no longer lead to a coincidence, but also no longer lead to an anticoincidence. If, however, the leftover Photon this photon pair reaches one of the detectors and this, which is common in practice the case is unable to distinguish whether a single Photon alone or both photons of a photon pair invaded are, it becomes erroneous detected an anticoincidence and thus the result of XOR operation falsified. These cases can be recognized as such with the help of the variant in question.
Durch eine vorteilhafte weitere Verfeinerung der letztgenannten Variante werden diese Fälle nicht nur erkannt, sondern es wird außerdem eine irrtümliche Feststellung einer Antikoinzidenz vermieden. Gemäß dieser Verfeinerung sind das erste und das zweite Registriergerät mit der Koinzidenzschaltung verbunden und versetzen dieselbe vorübergehend in einen funktionslosen Zustand, wenn das erste Registriergerät das erste Photon oder das zweite Registriergerät das zweite Photon registriert. Dadurch ist eine irrtümliche, nur auf einem einzelnen Photon beruhende Feststellung von Antikoinzidenz ausgeschlossen.By an advantageous further refinement of the latter variant these are cases Not only recognized, but it also becomes an erroneous statement anticoincidence avoided. According to this refinement are the first and the second recorder are connected to the coincidence circuit and put it temporarily in a non-functional state when the first recorder is the first one Photon or the second recorder registered the second photon. This is an erroneous, detection of anticoincidence based on a single photon only locked out.
In einer bevorzugten Variante ist daher der ersten und/oder der zweiten optischen Verzögerungseinrichtung ein polarisierender Strahlteiler mit einem ersten und einem zweiten Strahlteiler-Ausgang nachgeschaltet, wobei der erste Strahlteiler-Ausgang in den Strahlenkoppler und der zweite Strahlteiler-Ausgang in ein Registriergerät mündet; welches das erste bzw. zweite Photon zu registrieren imstande und mit der Koinzidenzschaltung verbunden ist, wobei dieselbe durch das Registriergerät vorübergehend in einen funktionslosen Zustand versetzt wird, wenn das Registriergerät das erste bzw. zweite Photon registriert.In a preferred variant is therefore the first and / or the second optical delay device a polarizing beam splitter having a first and a second Downstream of the beam splitter output, wherein the first beam splitter output in the beam coupler and the second beam splitter output in a Recorder opens; which the first and second photon are able to register and with the Coincidence circuit, the same by the recorder temporarily is set to a nonfunctional state when the recorder is the first one or second photon registered.
Selbstverständlich kann anstelle des ersten und des zweiten Registriergerätes ein einziges Registriergerät verwendet werden, welches entsprechend sowohl mit dem zweiten und dem vierten Strahlteiler-Ausgang optisch verbunden ist.Of course you can in place of the first and second registration devices single recorder be used, which corresponds to both the second and the fourth beam splitter output is optically connected.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfaßt die erste und/oder die zweite optische Verzögerungseinrichtung eine teildurchlässige Platte.According to one another embodiment of the invention the first and / or the second optical delay means a partially transparent plate.
Die erste bzw. zweite optische Verzögerungseinrichtung kann einen ersten bzw. zweiten elektrooptischen oder magnetooptischen Phasenmodulator umfassen, welcher eine Verstellung der ersten bzw. zweiten Verzögerung erlaubt. In diesem Fall kann die erste und/oder die zweite Verzögerung vorteilhafterweise durch den ersten bzw. zweiten elektrooptischen oder magnetooptischen Phasenmodulator beeinflußt werden. Die Phasenmodulatoren können z.B. auf dem Kerr-Effekt beruhen. Zur Steuerung der ersten bzw. zweiten Verzögerung kann an dem ersten bzw. zweiten Phasenmodulator ein erstes bzw. zweites elektrisches Steuersignal angelegt werden. Die Eingangsgrößen der XOR-Operation sind damit über die Steuersignale vorgebbar.The first or second optical delay device can be a first or second electro-optical or magneto-optical Phase modulator comprising an adjustment of the first or second delay allowed. In this case, the first and / or the second delay advantageously by the first and second electro-optical or magneto-optical Phase modulator affected become. The phase modulators can e.g. based on the Kerr effect. To control the first or second delay may be at the first and second phase modulator, a first or second electrical control signal are applied. The input variables of the XOR operation are thus beyond the Control signals can be specified.
Gemäß einer bevorzugten Variante werden die erste bzw. zweite Verzögerung größer als die Kohärenzlänge des ersten bzw. zweiten Photons gewählt. Diese Variante besitzt den Vorteil einer verbesserten Trennung der oben erläuterten Extremwerte.According to one preferred variant, the first and second delay are greater than the coherence length of the first or second photons selected. This variant has the advantage of improved separation of the explained above Extreme values.
Gemäß einer Verfeinerung dieser Variante mit noch weiter verbesserter Trennung der Extremwerte werden die erste bzw. zweite Verzögerung größer als das Doppelte, vorzugsweise größer als das Dreifache der Kohärenzlänge des ersten bzw. zweiten Photons gewählt.According to one Refinement of this variant with even further improved separation the extreme values become the first and second delay greater than twice, preferably larger than three times the coherence length of the first or second photons selected.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind daher die erste bzw. zweite Verzögerungseinrichtung so eingerichtet, daß die erste bzw. zweite Verzögerung größer ist als die Kohärenzlänge des ersten bzw. zweiten Photons. Gemäß weiterer Verfeinerungen dieser Ausführungsform sind die erste bzw. zweite Verzögerungseinrichtung so eingerichtet, daß die erste bzw. zweite Verzögerung größer als das Doppelte, vorzugsweise größer als das Dreifache der Kohärenzlänge des ersten bzw. zweiten Photons, so daß sich die vorderen Wahrscheinlichkeitswellenpakete mit den jeweils zugehörigen hinteren Wahrscheinlichkeitswellenpaketen praktisch nicht überlappen, sondern vollständig getrennt sind, wodurch die Trennung der oben erläuterten Extremwerte verbessert wird.In a preferred embodiment the device according to the invention Therefore, the first and second delay means are arranged so that the first or second delay is larger as the coherence length of the first or second photons. According to others Refinements of this embodiment are the first and second delay means arranged so that the first or second delay greater than twice, preferably larger than three times the coherence length of the first and second photons, respectively, so that the front probability wave packets with the respective associated practically do not overlap rear probability wave packets, but completely separated , thereby improving the separation of the extreme values explained above becomes.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Variante der Erfindung werden die erste Verzögerung d1 und die zweite Verzögerung d2 so gewählt, daß sie sich um mindestens die Kohärenzlänge des ersten Photons oder um mindestens die Kohärenzlänge des zweiten Photons unterscheiden. Auch diese Variante besitzt den Vorteil einer verbesserten Trennung der oben erläuterten Extremwerte.According to one Another preferred variant of the invention, the first delay d1 and the second delay d2 chosen so that she at least the coherence length of the first photons or at least to distinguish the coherence length of the second photon. This variant also has the advantage of improved separation the above explained Extreme values.
Gemäß einer weiteren Variante werden die erste Verzögerung (d1) und die zweite Verzögerung (d2) immer so gewählt, daß der Fall n=m nicht eintritt.According to one another variant, the first delay (d1) and the second Delay (d2) always chosen that the Case n = m does not occur.
Gemäß einer Variante wird der optische Weglängenunterschied D so gewählt, daß sich der Mittelwert der beiden optischen Weglängen, welche das erste vordere bzw. das erste hintere Wahrscheinlichkeitswellenpaket in dem ersten Arm durchlaufen, von dem Mittelwert der beiden optischen Weglängen, welche das zweite vordere bzw. das zweite hintere Wahrscheinlichkeitswellenpaket in dem zweiten Arm durchlaufen, um höchstens einen Maximalwert unterscheidet, welcher gegeben ist durch das Dreifache der Kohärenzlänge des ersten Photons oder durch das Dreifache der Kohärenzlänge des zweiten Photons. Vorzugsweise ist der Maximalwert dann durch das Dreifache der Kohärenzlänge des ersten Photons gegeben, wenn diese kleiner ist als die Kohärenzlänge des zweiten Photons und andernfalls durch das Dreifache der Kohärenzlänge des zweiten Photons gegeben.According to one Variant becomes the optical path length difference D so chosen that yourself the mean value of the two optical path lengths, which is the first front or the first rear probability wave packet in the first one Arm through, from the mean of the two optical path lengths, which the second front and the second rear probability wave packet, respectively go through in the second arm to differ at most a maximum value, which is given by three times the coherence length of the first photon or by three times the coherence length of the second photons. Preferably, the maximum value is then through the Threefold the coherence length of the given first photons, if this is smaller than the coherence length of the second photon and otherwise by three times the coherence length of the given second photons.
Gemäß einer bevorzugten Variante wird der optische Weglängenunterschied D so gewählt, daß sich der Mittelwert der beiden optischen Weglängen, welche das erste vordere bzw. das erste hintere Wahrscheinlichkeitswellenpaket in dem ersten Arm durchlaufen, von dem Mittelwert der beiden optischen Weglängen, welche das zweite vordere bzw. das zweite hintere Wahrscheinlichkeitswellenpaket in dem zweiten Arm durchlaufen, um höchstens einen solchen Maximalwert unterscheidet, welcher gegeben ist durch ein Viertel der Kohärenzlänge des ersten Photons oder durch ein Viertel der Kohärenzlänge des zweiten Photons. Vorzugsweise ist hierbei der Maximalwert dann durch ein Viertel der Kohärenzlänge des ersten Photons gegeben, wenn diese kleiner ist als die Kohärenzlänge des zweiten Photons, und andernfalls durch ein Viertel der Kohärenzlänge des zweiten Photons gegeben.According to one preferred variant, the optical path length difference D is chosen so that the Average of the two optical path lengths, which is the first front or the first rear probability wave packet in the first one Arm through, from the mean of the two optical path lengths, which the second front and the second rear probability wave packet, respectively in the second arm, by at most such a maximum value which is given by a quarter of the coherence length of the first photons or by a quarter of the coherence length of the second photon. Preferably Here, the maximum value is then by a quarter of the coherence length of given first photons, if this is smaller than the coherence length of the second photons, and otherwise by a quarter of the coherence length of the second Given photons.
Einer oder beide Arme des Interferometers können vollständig oder zumindest teilweise durch Lichtwellenleiter gebildet sein. Durch eine derartige Ausgestaltung wird der Betrieb einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Praxis erleichtert. Das Interferometer kann z.B. als Mach-Zehnder-Interferometer ausgebildet sein.one or both arms of the interferometer may be complete or at least partially be formed by optical waveguides. By such a configuration the operation of a device according to the invention in practice facilitated. The interferometer may e.g. as a Mach-Zehnder interferometer be educated.
Die Intensität des Stromes von ersten Photonen durch den ersten Arm bzw. die Intensität von zweiten Photonen durch den zweiten Arm kann durch einen in dem ersten bzw. zweiten Arm zwischengeschalteten oder einen dem Interferometer vorgeschalteten Absorber vermindert werden. Zu diesem Zweck kann zwischen der Photonenquelle und dem Interferometer oder zwischen dem Primärlaser und dem nichtlinearen optischen Kristall oder in mindestens einem der Arme des Interferometers ein Absorber zwischengeschaltet sein, welcher einen Teil der auf ihn auftreffenden Photonen absorbiert. Durch solchermaßen zwischengeschaltete Absorber kann insbesondere die Intensität des Photonenpaarstromes so angepaßt werden, daß bei der Kodierung von Bitcodes in die Interferometerarme im Mittel nur ein Photon auf jedes Bit entfällt, wodurch bestimmte illegitime Manipulationen, insbesondere ein unbemerktes Abhören der in die Interferometerarme kodierten Bitcodes, aus quantenmechanischen Gründen unmöglich werden.The intensity the current of first photons through the first arm and the intensity of the second Photons through the second arm can be replaced by one in the first or second arm interposed or upstream of the interferometer Absorbers are reduced. For this purpose, between the photon source and the interferometer or between the primary laser and the nonlinear one optical crystal or in at least one of the arms of the interferometer an absorber be interposed, which is a part of it absorbs impinging photons. By such intermediary Absorber can in particular the intensity of the photon pair current so customized be that at the coding of bitcodes in the interferometer arms on average only one photon on each bit causing certain illegitimate manipulations, especially an unnoticed monitor the bitcodes coded into the interferometer arms, of quantum mechanical establish impossible become.
Ferner können die Polarisation und/oder die Phasenlage und/oder die Frequenz des ersten bzw. zweiten Photons durch ein in dem ersten bzw. zweiten Arm zwischengeschaltetes optisches Bauteil verändert werden. Zu diesem Zweck kann zwischen der Photonenquelle und dem Interferometer oder zwischen dem Primärlaser und dem nichtlinearen optischen Kristall oder in mindestens einem der Arme des Interferometers ein optisches Bauteil zwischengeschaltet sein, welches die Polarisation und/oder die Phasenlage und/oder die Frequenz der das optische Bauteil durchlaufenden Photonen zu verändern imstande ist.Further can the polarization and / or the phase position and / or the frequency of the first and second photons by one in the first and second, respectively Arm intermediate optical component to be changed. To this end can be between the photon source and the interferometer or between the primary laser and the nonlinear optical crystal or at least one the arms of the interferometer an optical component interposed which is the polarization and / or the phase angle and / or the frequency of the optical component passing through photons able to change is.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform verfügt die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht zwei Detektoren, nämlich den ersten und den zweiten Detektor, sondern kommt mit nur einem dieser Detektoren aus. Gemäß dieser Ausführungsform weist die Vorrichtung daher, anstatt den ersten und den zweiten Detektor aufzuweisen, einen Einzeldetektor auf, welcher entweder dem ersten oder dem zweiten Kopplerausgang nachgeschaltet und beide Photonen des Photonenpaares zu registrieren imstande ist und das Koinzidenzsignal dann auslöst, wenn er nur eines der beiden Photonen des Photonenpaares registriert, und das Antikoinzidenzsignal dann auslöst, wenn er beide Photonen des Photonenpaares registriert. Dabei wird eine Koinzidenz daran erkannt, daß der Einzeldetektor nur eines der Photonen des Photonenpaares registriert, und eine Antikoinzidenz daran erkannt, daß er beide Photonen des Photonenpaares registriert. Der Einzeldetektor muß hierzu imstande sein zu unterscheiden, ob nur eines der Photonen des Photonenpaares einfällt oder beide.According to one another embodiment has the device according to the invention not two detectors, namely the first and the second detector, but comes with only one of these detectors. According to this embodiment Therefore, the device has the first and the second instead Detector, a single detector on which either downstream of the first or the second coupler output and both Photons of the photon pair is able to register and that Coincidence signal then triggers if it registers only one of the two photons of the photon pair, and the anticoincidence signal then triggers when it has both photons of the photon pair registered. There is a coincidence in it recognized that the Single detector registers only one of the photons of the photon pair, and an anticoincidence is recognized by the fact that it contains both photons of the photon pair registered. The single detector must be able to distinguish whether only one of the photons of the photon pair is incident or both.
Anwendungsgemäß besteht die Erfindung des weiteren in einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 64.Application exists the invention further in a method with the features of Claim 64.
Somit besteht die Erfindung des weiteren in einem Verfahren zur Identifikation eines Parteien-Paares, bestehend aus einer ersten Partei und einer zweiten Partei, gegenüber einem Kontrolleur, unter Verwendung des oben erläuterten Verfahrens oder unter Verwendung der oben erläuterten Vorrichtung, mit folgenden Schritten:
- a) Die erste Partei A erhält einen ersten geheimen Bitschlüssel aS, umfassend eine Folge von ersten Schlüsselbits,
- b) die zweite Partei B erhält einen zweiten geheimen Bitschlüssel bS, umfassend eine Folge von zweiten Schlüsselbits,
- c) der Kontrolleur C erhält einen dritten geheimen Bitschlüssel cS, welcher gegeben ist durch die bitweise logische XOR-Verknüpfung zwischen dem ersten und dem zweiten Bitschlüssel, so daß cS = aS XOR bS gilt,
- d) die erste Partei A setzt den ersten Bitschlüssels aS in eine zeitliche Abfolge von Werten für die ganze Zahl n um, indem die erste Partei A die erste Verzögerung d1 zeitlich so steuert, daß gesetzte Bits des ersten Bitschlüssels aS in geradzahlige Werte für die Zahl n und nicht gesetzte Bits des ersten Bitschlüssels aS in ungeradzahlige Werte für die Zahl n umgesetzt werden bzw. umgekehrt,
- e) die zweite Partei B setzt synchron hierzu den zweiten Bitschlüssel bS in eine zeitliche Abfolge von Werten für die ganze Zahl m um, indem die zweite Partei B die zweite Verzögerung d2 zeitlich so steuert, daß alle gesetzten Bits des zweiten Bitschlüssels bS in geradzahlige Werte für die Zahl m und alle nicht gesetzten Bits des zweiten Bitschlüssels bS in ungeradzahlige Werte für die Zahl m umgesetzt werden bzw. umgekehrt, so daß jedes solchermaßen umgesetzte Bit des ersten Bitschlüssels aS mit dem synchron hierzu umgesetzten Bit des zweiten Bitschlüssels bS ein Bitpaar bildet und zu jedem Bitpaar genau ein Wert für die Zahl n sowie genau ein Wert für die Zahl m gehört,
- f) der Kontrolleur C erfaßt synchron hierzu die Auslösungen des Koinzidenzsignals und des Antikoinzidenzsignals und setzt diese um in eine Ergebnis-Bitfolge cE, indem er jeder Auslösung des Koinzidenzsignals ein gesetztes Bit und jeder Auslösung des Antikoinzidenzsignals ein nicht gesetztes Bit zuweist,
- g) die Ergebnis-Bitfolge cE wird mit dem dritten Bitschlüssel cS verglichen, h) das durch die erste und die zweite Partei gebildete Parteienpaar A, B wird als identifiziert eingestuft, sofern mindestens ein bestimmter vorgegebener Grad an Übereinstimmung zwischen der Ergebnis-Bitfolge cE und dem dritten Bitschlüssel cS vorliegt.
- a) The first party A receives a first secret Bit key aS, comprising a sequence of first key bits,
- b) the second party B receives a second secret bit key bS comprising a sequence of second key bits,
- c) the controller C receives a third secret bit key cS, which is given by the bitwise logical XOR operation between the first and the second bit key, so that cS = aS XOR bS,
- d) the first party A converts the first bit key aS into a time series of values for the integer n by the first party A timing the first delay d1 so that set bits of the first bit key aS are converted into even numbers for the number n and unset bits of the first bit key aS are converted into odd numbers for the number n and vice versa,
- e) the second party B synchronously converts the second bit key bS into a time series of values for the integer m by having the second party B time-control the second delay d2 such that all set bits of the second bit key bS are even-numbered for the number m and all non-set bits of the second bit key bS are converted into odd-numbered values for the number m or vice versa, so that each thus converted bit of the first bit key aS with the synchronized converted bit of the second bit key bS forms a bit pair and for each pair of bits exactly one value for the number n and exactly one value for the number m belongs,
- f) the controller C synchronously detects the resolutions of the coincidence signal and the anti-coincidence signal and converts them into a result bit sequence cE by assigning a set bit to each triggering of the coincidence signal and assigning an unset bit to each triggering of the anti-coincidence signal,
- g) the result bit sequence cE is compared with the third bit key cS, h) the party pair A, B formed by the first and the second party is classified as identified if at least a certain predetermined degree of agreement between the result bit string cE and the third bit key cS is present.
Eine Anwendung dieses Verfahrens besteht in der paarweisen Identifikation zweier Parteien gegenüber einer dritten, wobei diese dritte Partei nicht in den Besitz der beiden beteiligten Schlüssel gelangt. Beispielsweise kann das Verfahren dann vorteilhaft angewendet werden, wenn nur zwei Parteien gleichzeitig zu einer Aktion berechtigt sind.A Application of this method consists in the pairwise identification two parties a third, this third party is not in the possession of both involved keys arrives. For example, the method can then be used advantageously if only two parties are entitled to an action at the same time are.
Herkömmliche Identifikationsverfahren, bei denen die Schlüssel nicht direkt zur prüfenden Partei übertragen werden, basieren meist darauf, daß der diskrete Logarithmus einer Zahl mit klassischen Rechnern nur ineffizient zu berechnen ist [Schneier: Applied Cryptography]. Gerade für Quantencomputer gibt es aber effiziente Algorithmen für dieses Problem, die diese Identifikationsverfahren unsicher werden lassen.conventional Identification procedures where the keys are not transmitted directly to the verifying party are usually based on the fact that the discrete logarithm to calculate a number with classical computers only inefficiently is [Schneier: Applied Cryptography]. But there are just for quantum computers efficient algorithms for this problem that these identification methods become uncertain to let.
Das erfindungsgemäße Identifikationsverfahren besitzt den Vorteil, daß es auch beim Einsatz von Quantencomputern keine Einbuße seiner Sicherheit erleidet. Gegenüber Ansätzen, die auf Ein-Photonen-Interferenzen beruhen, besitzt das erfindungsgemäße Identifikationsverfahren den Vorteil der Unempfindlichkeit gegenüber Phasenschwankungen zwischen den beiden beteiligten Armen.The Inventive identification method has the advantage that it even with the use of quantum computers no loss of his Security suffers. Across from approaches, which are based on single-photon interference, has the identification method according to the invention the advantage of insensitivity to phase fluctuations between the two poor people involved.
Die erste und zweite Partei sowie der Kontrolleur können Menschen sein, aber auch Computer oder sonstige elektronische Geräte. Die Umsetzung des ersten Bitschlüsssels aS in eine zeitliche Abfolge von Werten für die ganze Zahl n und die Umsetzung des zweiten Bitschlüsssels bS in eine zeitliche Abfolge von Werten für die ganze Zahl m erfolgen synchron zueinander, d.h. das erste Bit des ersten Bitschlüssels aS wird synchron mit dem ersten Bit des zweiten Bitschlüssels bS, das zweite Bit des ersten Bitschlüssels aS synchron mit dem zweiten Bit des zweiten Bitschlüssels bS usw. umgesetzt. Um eine derartige Synchronizität zu erreichen, kann eine Synchronisierungseinrichtung verwendet werden, welche z.B. ein zentrales Triggersignal oder Taktsignal an beide Parteien abgibt.The first and second party as well as the controller can be people, as well Computer or other electronic devices. The implementation of the first Bitschlüsssels aS into a temporal sequence of values for the integer n and the Implementation of the second Bitschlüsssels bS take place in a time sequence of values for the integer m synchronous to each other, i. the first bit of the first bit key aS becomes synchronous with the first bit of the second bit key bS, the second bit of the first bit key aS synchronous with the second one Bit of the second bit key bs etc. implemented. To achieve such synchronicity, a synchronization device may be used which e.g. a central trigger signal or clock signal to both parties emits.
Gemäß einer Variante steuert die erste Partei A die erste Verzögerung d1 und die zweite Partei B die zweite Verzögerung d2 zeitlich so, daß auf jedes in das Interferometer einfallende oder auf jedes das Interferometer durchlaufende Photonenpaar genau ein Bitpaar oder mindestens ein Bitpaar entfällt.According to one Variant, the first party A controls the first delay d1 and the second party B times the second delay d2 so that on each entering the interferometer or on each the interferometer passing photon pair exactly one bit pair or at least one Bit pair is omitted.
Gemäß einer anderen Variante steuert die erste Partei A die erste Verzögerung d1 und die zweite Partei B die zweite Verzögerung d2 zeitlich so, daß auf jedes in das Interferometer einfallende oder auf jedes das Interferometer durchlaufende Photonenpaar im Mittel mindestens ein Bitpaar entfällt.According to one In another variant, the first party A controls the first delay d1 and the second party B times the second delay d2 so that on each entering the interferometer or on each the interferometer passing photon pair on average at least one bit pair is omitted.
D.h., daß die erste Partei A die erste Verzögerung d1 und die zweite Partei B die zweite Verzögerung d2 zeitlich so steuern, daß auf jedes in das Interferometer einfallende oder auf jedes das Interferometer durchlaufende Photonenpaar genau ein Bit oder höchstens ein Bit oder im Mittel höchstens ein Bit des ersten bzw. zweiten Bitschlüssels entfällt. Der Bitfluß in Bit pro Sekunde, Bandrate, ist in diesem Fall mindestens so groß bzw. im Mittel mindestens so groß wie der Photonenfluß in Photonen pro Sekunde.that is, that the first party A the first delay d1 and the second party B control the second delay d2 in time, that on each incident into the interferometer or to each the interferometer passing photon pair exactly one bit or at most one bit or on average at the most one bit of the first or second bit key is omitted. The bit flow in bits per second, band rate, is in this case at least as large or in the Medium at least as big as the photon flux in Photons per second.
Anwendungsgemäß besteht die Erfindung des weiteren in einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 67.Application exists the invention further in a method with the features of Claim 67.
Somit besteht die Erfindung des weiteren in einem Verfahren zur Identifikation eines Parteien-Paares, bestehend aus einer ersten Partei und einer zweiten Partei, gegenüber einem Kontrolleur, unter Verwendung des oben erläuterten Verfahrens oder unter Verwendung der oben erläuterten Vorrichtung, mit folgenden Schritten:
- a) Die erste Partei A erhält einen ersten geheimen Bitschlüssel aS, umfassend eine Folge von ersten Schlüsselbits, und modifiziert diesen zu einer ersten Prüf-Bitfolge aP, indem die erste Partei A eine erste Mehrzahl X von Bits des ersten Bitschlüssels aS, welche sich an willkürlich oder zufällig gewählten ersten Prüfbit-Positionen innerhalb des ersten Bitschlüssels aS befinden, durch willkürlich oder zufällig gewählte erste Prüfbits ersetzt,
- b) die zweite Partei B erhält einen zweiten geheimen Bitschlüssel bS, umfassend eine Folge von zweiten Schlüsselbits, und modifiziert diesen zu einer zweiten Prüf-Bitfolge bP, indem die zweite Partei B eine zweite Mehrzahl Y von Bits des zweiten Bitschlüssels bS, welche sich an willkürlich oder zufällig gewählten zweiten Prüfbit-Positionen innerhalb des zweiten Bitschlüssels bS befinden, durch willkürlich oder zufällig gewählte zweite Prüfbits ersetzt,
- c) der Kontrolleur C erhält einen dritten geheimen Bitschlüssel cS, welcher gegeben ist durch die bitweise logische XOR-Verknüpfung zwischen dem ersten und dem zweiten Bitschlüssel, so daß cS = aS XOR bS gilt,
- d) die erste Partei A setzt die erste Prüf-Bitfolge aP in eine zeitliche Abfolge von Werten für die ganze Zahl n um, indem die erste Partei A die erste Verzögerung d1 zeitlich so steuert, daß gesetzte Bits der ersten Prüf-Bitfolge aP in geradzahlige Werte für die Zahl n und nicht gesetzte Bits der ersten Prüf-Bitfolge aP in ungeradzahlige Werte für die Zahl n umgesetzt werden bzw. umgekehrt,
- e) die zweite Partei B setzt synchron hierzu die zweite Prüf-Bitfolge bP in eine zeitliche Abfolge von Werten für die ganze Zahl m um, indem die zweite Partei B die zweite Verzögerung d2 zeitlich so steuert, daß gesetzte Bits der zweiten Prüf-Bitfolge bP in geradzahlige Werte für die Zahl m und nicht gesetzte Bits der zweiten Prüf-Bitfolge bP in ungeradzahlige Werte für die Zahl m umgesetzt werden bzw. umgekehrt, so daß jedes solchermaßen umgesetzte Bit der ersten Prüf-Bitfolge aP mit dem synchron hierzu umgesetzten Bit der zweiten Prüf-Bitfolge bP ein Bitpaar bildet und zu jedem Bitpaar genau ein Wert für die Zahl n sowie genau ein Wert für die Zahl m gehört, wobei die erste Partei (A) die erste Verzögerung (d1) und die zweite Partei (B) die zweite Verzögerung (d2) zeitlich so steuern, daß auf jedes in das Interferometer einfallende oder auf jedes das Interferometer durchlaufende Photonenpaar genau ein Bitpaar oder mindestens ein Bitpaar oder im Mittel mindestens ein Bitpaar entfällt,
- f) der Kontrolleur C erfaßt synchron hierzu die Auslösungen des Koinzidenzsignals und des Antikoinzidenzsignals und setzt diese um in eine dritte Prüf-Bitfolge cP, indem er jeder Auslösung des Koinzidenzsignals ein gesetztes Bit und jeder Auslösung des Antikoinzidenzsignals ein nicht gesetztes Bit zuweist,
- g) die dritte Prüf-Bitfolge cP wird mit dem dritten Bitschlüssel cS verglichen,
- h) das durch die erste und die zweite Partei gebildete Parteienpaar A, B wird als identifiziert eingestuft, sofern mindestens ein bestimmter vorgegebener Grad an Übereinstimmung zwischen der dritten Prüf-Bitfolge cP und dem dritten Bitschlüssel cP vorliegt,
- i) mindestens ein Teil der ersten Prüfbit-Positionen wird mit mindestens einem Teil der zweiten Prüfbit-Positionen verglichen, woraus sich eine Menge von Z Übereinstimmungs-Positionen ergibt, an welchen jeweils eine der ersten Prüfbit-Positionen mit einer der zweiten Prüfbit-Positionen zusammenfällt, so daß zu jeder Übereinstimmungs-Position genau ein Bit der ersten Prüf-Bitfolge aP, ein Bit der zweiten Prüf-Bitfolge bP und ein Bit der dritten Prüf-Bitfolge cP gehört,
- j) für jede Übereinstimmungs-Position oder einen Teil derselben wird durch logische XOR-Verknüpfung zwischen dem zugehörigen Bit der ersten Prüf-Bitfolge aP und dem zugehörigen Bit der zweiten Prüf-Bitfolge bP ein Übereinstimmungs-Bit bestimmt,
- k) mindestens ein Teil der Übereinstimmungs-Bits wird mit jeweils zugehörigen Bits der dritten Prüf-Bitfolge cP verglichen, und
- l) der erste und der zweite Bitschlüssel werden als abgehört eingestuft, falls der Verfahrensschritt k) ergibt, daß mindestens eine vorgegebene kritische Zahl oder mindestens ein vorgegebener kritischer Anteil von Übereinstimmungs-Bits von dem jeweils zugehörigen Bit der dritten Prüf-Bitfolge cP abweicht.
- a) The first party A receives a first secret bit key aS comprising a sequence of first key bits, and modifies it to a first check bit string aP by the first party A a first plurality X of bits of the first bit key aS, which abuts arbitrarily or randomly selected first check bit positions within the first bit key aS are replaced by arbitrarily or randomly selected first check bits,
- b) the second party B receives a second secret bit key bS comprising a sequence of second key bits and modifies it to a second check bit string bP by the second party B a second plurality Y of bits of the second bit key bS, which abuts located arbitrarily or randomly selected second check bit positions within the second bit key bS, replaced by arbitrarily or randomly selected second check bits,
- c) the controller C receives a third secret bit key cS, which is given by the bitwise logical XOR operation between the first and the second bit key, so that cS = aS XOR bS,
- d) the first party A converts the first check bit sequence aP into a time sequence of values for the integer n by the first party A timing the first delay d1 so that set bits of the first check bit string aP are even-numbered Values for the number n and unset bits of the first check bit sequence aP are converted into odd numbers for the number n or vice versa,
- e) the second party B synchronously converts the second check bit string bP into a time series of values for the integer m by the second party B timing the second delay d2 such that set bits of the second check bit string bP are converted into even-numbered values for the number m and unset bits of the second check bit sequence bP into odd-numbered values for the number m, respectively, vice versa, so that each bit thus converted is the first check bit sequence aP with the bit of the second one synchronized therewith Test bit sequence bP forms a bit pair and for each pair of bits exactly one value for the number n and exactly one value for the number m belongs, where the first party (A) the first delay (d1) and the second party (B) the second Timing the delay (d2) such that each photon pair entering the interferometer or passing through each interferometer has exactly one bit pair or at least one bit pair, or at least one on average Bit pair omitted,
- f) the controller C synchronously detects the resolutions of the coincidence signal and the anticoincidence signal and converts them into a third check bit sequence cP by assigning a set bit to each triggering of the coincidence signal and assigning an unset bit to each triggering of the anticoincidence signal,
- g) the third check bit sequence cP is compared with the third bit key cS,
- h) the party pair A, B formed by the first and the second party is deemed to be identified, provided that there is at least a certain predetermined degree of agreement between the third check bit string cP and the third bit key cP,
- i) at least a portion of the first check bit positions is compared to at least a portion of the second check bit positions, resulting in a set of Z match positions at each of which one of the first check bit positions coincides with one of the second check bit positions such that exactly one bit of the first check bit sequence aP, one bit of the second check bit sequence bP and one bit of the third check bit sequence cP belong to each matching position,
- j) for each match position or a part thereof, a match bit is determined by logical XORing between the associated bit of the first check bit string aP and the associated bit of the second check bit string bP,
- k) at least a part of the match bits is compared with respective bits of the third check bit string cP, and
- l) the first and the second bit key are classified as intercepted, if the method step k) shows that at least one predetermined critical number or at least one predetermined critical portion of match bits deviates from the respectively associated bit of the third test bit sequence cP.
Aufgrund der Bedingung, daß die erste Partei A die erste Verzögerung d1 und die zweite Partei B die zweite Verzögerung d2 zeitlich so steuern, daß auf jedes in das Interferometer einfallende oder auf jedes das Interferometer durchlaufende Photonenpaar genau ein Bitpaar oder mindestens ein Bitpaar oder im Mittel mindestens ein Bitpaar entfällt, steht einer abhörenden Partei genau ein Photon oder höchstens ein Photon oder im Mittel höchstens ein Photon zur Verfügung, um ein Bit abzuhören. Dieses Photon steht dann für eine XOR-Operation nicht mehr zur Verfügung. Durch die genannte Bedingung wird also vorteilhafterweise erreicht, daß ein Abhören der in die Interferometerarme kodierten Prüf-Bitfolgen durch eine hierzu nicht autorisierte Partei aus quantenmechanischen Gründen das Ergebnis der zu dem betreffenden Photonenpaar gehörigen XOR-Operation verfälscht wird, wodurch der Abhörversuch entdeckt werden kann.Due to the condition that the first party A controls the first delay d1 and the second party B times the second delay d2 such that each photon pair entering the interferometer or passing through each interferometer will have exactly one bit pair or at least one bit pair or mean If at least one bit pair is omitted, one intercepting party has exactly one photon or at most one photon, or on average only one photon available to intercept a bit. This photon is then no longer available for an XOR operation. By the above condition, it is thus advantageously achieved that interception of the test bit sequences coded into the interferometer arms is falsified by an unauthorized party for quantum mechanical reasons, resulting in the result of the XOR operation associated with the respective photon pair, thereby discovering the eavesdropping attempt can be.
Die Anzahlen der Prüfbits in der ersten und in der zweiten Prüf-Bitfolge können gleich oder voneinander verschieden sein. Gemäß einer Variante des Verfahrens sind jeweils zwischen 10% und 50% der ersten Prüf-Bitfolge aP und der zweiten Prüf-Bitfolge bP Prüfbits.The Number of check bits in the first and in the second check bit sequence can be the same or different from each other. According to a variant of the method are each between 10% and 50% of the first test bit sequence aP and the second Check bit sequence bP Check bits.
Die Umsetzung der Prüf-Bitfolgen aP, bP in zeitliche Abfolgen von Werten für die ganzen Zahlen n und m erfolgen synchron zueinander, d.h. das erste Bit der ersten Prüf-Bitfolge aP wird synchron mit dem ersten Bit der zweiten Prüf-Bitfolge bP, das zweite Bit der ersten Prüf-Bitfolge aP synchron mit dem zweiten Bit der zweiten Prüf-Bitfolge bP usw. umgesetzt. Um eine derartige Synchronizität zu erreichen, kann eine Synchronisierungseinrichtung verwendet werden, welche z.B. ein zentrales Triggersignal oder Taktsignal an beide Parteien abgibt. Insbesondere kann zur Synchronisierung der Verfahrensschritte d), e) und f) eine elektrische oder elektronische Synchronisierungseinrichtung verwendet werden, mit welcher die erste und zweite Partei sowie der Kontrolleur verbunden sind.The Implementation of the test bit sequences aP, bP in time sequences of values for the integers n and m occur synchronously with each other, i. the first bit of the first check bit string aP becomes synchronous with the first bit of the second check bit sequence bP, the second bit of the first check bit sequence aP synchronously with the second bit of the second check bit sequence bP, etc. implemented. To such a synchronicity can be achieved, a synchronization device can be used e.g. a central trigger signal or clock signal to both parties emits. In particular, for synchronization of the method steps d), e) and f) an electrical or electronic synchronization device be used with which the first and second party as well the controller are connected.
Gemäß einer vorteilhaften Variante ist die Anzahl der ersten Schlüsselbits, der ersten Prüfbits, der zweiten Schlüsselbits und der zweiten Prüfbits jeweils so groß gewählt, daß die Wahrscheinlichkeit dafür, daß weniger als eine Anzahl von L Übereinstimmungs-Positionen vorliegen, kleiner ist als eine vorgegebene Grenz-Wahrscheinlichkeit, wobei L eine beliebig wählbare positive ganze Zahl ist. Die im Mittel zu erwartende Anzahl der Übereinstimmungs-Positionen wächst sowohl mit der mittleren Dichte der Prüfbits innerhalb der Prüf-Bitfolgen als auch mit der Länge derselben an.According to one advantageous variant is the number of first key bits, the first check bits, the second key bits and the second check bits each chosen so large that the probability that less as a number of L match positions is smaller than a given limit probability, where L is an arbitrary is positive integer. The average expected number of match positions grows both with the average density of check bits within the check bit strings as well as with the length the same.
Die Zahl L wird gemäß einer Variante der Erfindung größer als 10, vorzugsweise größer als 100, gewählt. Bei einer vorgegebenen mittleren Dichte der Prüfbits innerhalb der Prüf-Bitfolgen ergibt sich dabei für eine gegebene Zahl L eine bestimmte mittlere Mindestlänge für die Prüf-Bitfolgen. Ebenso kann durch entsprechende Wahl der genannten Dichten und Längen eine beliebig kleine Wahrscheinlichkeit dafür erreicht werden, daß weniger als eine Anzahl von L Übereinstimmungs-Positionen vorliegen. Die Grenz-Wahrscheinlichkeit wird gemäß einer Variante kleiner als 10–3, vorzugsweise kleiner als 10–6 vorgegeben.The number L is greater than 10, preferably greater than 100, selected according to a variant of the invention. For a given average density of the check bits within the check bit sequences, a given average length L for the test bit sequences results for a given number L. Likewise, by appropriate choice of said densities and lengths, an arbitrarily small probability can be achieved that there are fewer than a number of L match positions. The limit probability is set according to a variant smaller than 10 -3 , preferably smaller than 10 -6 .
Falls sich im Verfahrensschritt i) eine Anzahl von Übereinstimmungs-Position ergibt, welche kleiner ist als ein vorgegebener Mindestwert, wird gemäß einer Variante das durch die erste und die zweite Partei gebildete Parteienpaar A, B nicht als identifiziert eingestuft, sondern die Bitschlüssel aS, bS, cS durch neue Bitschlüssel ersetzt und das Verfahren mit denselben erneut durchgeführt.If in step i), a number of match positions result, which is smaller than a predetermined minimum value, is determined according to a Variant of the party formed by the first and the second party A, B are not classified as identified, but the bit-key aS, bS, cS with new bitcodes replaced and the process with the same again.
Eine Möglichkeit, die erste und zweite Verzögerung d1, d2 zeitlich so zu steuern, daß auf jedes das Interferometer durchlaufende Photonenpaar genau ein Bitpaar entfällt, besteht darin, daß die beiden Parteien A, B immer dann das nächste Bit des ersten bzw. zweiten Bitschlüssels in ganze Zahlen n bzw. m umsetzen, wenn entweder das Koinzidenzsignal oder das Antikoinzidenzsignal ausgelöst wurde. Um diese Vorgehensweise zu ermöglichen, kann die Auslösung des Koinzidenzsignals bzw. Antikoinzidenzsignals z.B. nach Art eines "hand-shaking"-Betriebes über eine Rückmeldeleitung an die beiden Parteien zurückgemeldet werden.A Possibility, the first and second delay To control d1, d2 in time so that the interferometer on each passing photon pair exactly one bit pair is eliminated, exists in that the Both parties A, B always the next bit of the first or second Bitschlüssels convert to integers n or m if either the coincidence signal or triggered the anti-coincidence signal has been. To enable this procedure, the triggering of the Coincidence signal or anti-coincidence signal e.g. in the manner of a "hand-shaking" operation over one Feedback line reported back to the two parties become.
Die Bits des ersten und diejenigen des zweiten Bitschlüssels werden hierbei also bitweise oder im Mittel bitweise in jeweils einzelne Photonen kodiert; die hiermit aus quantenmechanischen Gründen verbundenen erheblichen Vorteile bezüglich der Abhörsicherheit wurden bereits oben erläutert. Die Rückmeldung kann vorteilhaft zugleich zur Synchronisierung der Parteien A und B dienen.The Bits of the first and those of the second bit key in this case bitwise or on average bitwise in each individual Photons encoded; the hereby connected for quantum mechanical reasons considerable advantages in terms of privacy have already been explained above. The feedback can be advantageous at the same time for the synchronization of the parties A and B serve.
In Abwandlung zu den oben erläuterten Verfahren kann der dritte geheime Bitschlüssel cS durch die bitweise logische NXOR-Verknüpfung, d.h. durch die inverse XOR-Verknüpfung zwischen dem ersten und dem zweiten Bitschlüssel (aS, bS), so daß cS = aS NXOR bS gilt, wobei der Kontrolleur C synchron hierzu die Auslösungen des Koinzidenzsignals und des Antikoinzidenzsignals erfaßt und diese in eine Ergebnis-Bitfolge cE umsetzt, indem er jeder Auslösung des Koinzidenzsignals ein nicht gesetztes Bit und jeder Auslösung des Antikoinzidenzsignals ein gesetztes Bit zuweist.In Modification to the above explained Method, the third secret bit cS by the bitwise logical NXOR link, i.e. through the inverse XOR operation between the first and second bit-keys (aS, bS) such that cS = aS NXOR bS applies, where the controller C synchronously to the triggers of the Coincidence signal and the anti-coincidence signal detected and this into a result bit sequence cE by triggering each triggering of the Coincidence signal is a bit not set and any triggering of the Anti-coincidence signal assigns a set bit.
Kurzbeschreibung der Zeichnung, in der zeigen:Summary the drawing, in which show:
Zur
Erzeugung von Photonenpaaren wird in der Vorrichtung von
Dieser
Prozeß läßt sich
insbesondere so führen,
daß die
beiden Photonen eines Photonenpaares in verschiedenen Richtungen
aus dem Kristall austreten, so daß es leicht möglich ist,
das erste Photons jedes Paares in den ersten Arm und das zweite
Photon in den zweiten Arm eines Interferometers einzukoppeln, wie
es in
Zwischen
den beiden Armen besteht ein optischer Weglängenunterschied D, welcher
durch Verstellen des ersten oder zweiten Spiegels
In
dem ersten Arm ist eine erste optische Verzögerungseinrichtung
Ebenso
ist in dem zweiten Arm eine zweite optische Verzögerungseinrichtung
Die
Aufspaltung der Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Photons in ein
vorderes und ein hiervon getrenntes hinteres Wahrscheinlichkeitswellenpaket wird
unten unter Bezug auf
Vorzugsweise werden die Intervalle für die Werte x1, x2 enger gewählt, so daß x1 z.B. ein Wert aus dem Intervall -λ1/16...+λ1/16 und x2 ein Wert aus dem Intervall –λ2/16...+λ2/16 ist. Ferner werden die erste und die zweite Verzögerung d1, d2 vorzugsweise jeweils kleiner gewählt als die Kohärenzlänge des Primärphotons. Darüber hinaus sind die erste bzw. zweite Verzögerung d1, d2 vorzugsweise größer gewählt als das Dreifache der Kohärenzlänge des ersten bzw. zweiten Photons.Preferably, the intervals for the values of x1, x2 chosen narrower, so that x1 -λ example, a value from the interval 1 /16...+λ 1 / 16th and x2, a value from the interval -λ 2/16 ... + λ is 2/16. Furthermore, the first and the second delay d1, d2 are preferably each chosen smaller than the coherence length of the primary photon. In addition, the first and second delay d1, d2 are preferably selected to be greater than three times the coherence length of the first and second photons.
Der
Strahlenkoppler
Das
Interferometer ist so eingerichtet, daß das erste und das zweite
Photon im Strahlenkoppler
Die
Photonen des Photonenpaares können also
den Strahlenkoppler
Der
erste Kopplerausgang
Beide
Detektoren
Aufgrund
quantenoptischer Effekte hängt
die Wahrscheinlichkeit für
Koinzidenz jedoch vom optischen Weglängenunterschied D sowie von
der ersten und zweiten Verzögerung
d1, d2 ab (
Hierbei
ist es möglich,
den optischen Weglängenunterschied
D zwischen den beiden Armen zum Zweck der Ausnutzung der genannten
quantenoptischen Effekte so zu wählen
daß erfindungsgemäß mit einer
signifikant höheren
Wahrscheinlichkeit als 50% eine logische XOR-Operation ausgeführt wird,
welche darin besteht, daß die
Koinzidenzschaltung
Beispielsweise
können
hierbei die erste und die zweite Verzögerung d1, d2 so gewählt werden, daß n eine
gerade Zahl, z.B. n=20, und m eine ungerade Zahl, z.B. n=71 ist.
Die logische XOR-Operation besteht dann darin, daß das Koinzidenzsignal
mit einer signifikant höheren
Wahrscheinlichkeit als 50% ausgelöst wird. Bei geeigneter Wahl
des optischen Weglängenunterschiedes
D läßt sich
dabei eine Wahrscheinlichkeit von näherungsweise 100% erreichen.
Das Antikoinzidenzsignal wird mit einer hierzu komplementären Wahrscheinlichkeit
ausgelöst,
welche sich im vorliegenden Beispiel nur wenig von Null unterscheidet.
Interpretiert man die Auslösung
des Koinzidenzsignals als logische 1, so besteht die erfindungsgemäße quantenoptische
XOR-Operation darin, daß die
Verknüpfung
der Eingangswerte
In
einem anderen Beispiel sind die erste und die zweite Verzögerung d1,
d2 so gewählt,
daß n
eine gerade Zahl, z.B. n=20, und m ebenfalls eine gerade Zahl, z.B.
n=70 ist. Die logische XOR-Operation besteht dann darin, daß das Antikoinzidenzsignal
mit einer signifikant höheren
Wahrscheinlichkeit als 50% ausgelöst wird. Auch hier läßt sich
eine Wahrscheinlichkeit von näherungsweise
100% erreichen. Das Koinzidenzsignal wird mit einer hierzu komplementären Wahrscheinlichkeit
ausgelöst,
welche sich diesem Beispiel nur wenig von Null unterscheidet. Interpretiert
man die Auslösung
des Antikoinzidenzsignals als logische 0, so besteht die erfindungsgemäße quantenoptische
XOR-Operation darin, daß die
Verknüpfung
der Eingangswerte 20 und 70, welche im vorliegenden Beispiel (n=20,
m=70) durch die Vorrichtung von
Anders ausgedrückt wird in den beiden letztgenannten Beispielen durch das erfindungsgemäße Verfahren eine quantenoptische XOR-Operation ausgeführt, durch welche mit einer signifikant höheren Wahrscheinlichkeit als 50% derjenige Ausgangswert erzielt wird, welcher einer herkömmlichen logischen XOR-Operation entspricht.Different expressed is in the latter two examples by the inventive method a quantum optical XOR operation performed by which with a significantly higher probability than 50% of that initial value is achieved, which is a conventional logical XOR operation equivalent.
Nach
Passieren der ersten Verzögerungsplatte
Das
erste vordere und das erste hintere Wahrscheinlichkeitswellenpaket
In hierzu völlig analoger Weise kann die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des zweiten Photons aufgespalten werden in ein zweites vorderes und ein zweites hinteres Wahrscheinlichkeitswellenpaket (nicht gezeigt), welche um die zweite Verzögerung d2 voneinander beabstandet sind.In completely analogous manner, the probability of residence of the second Photons are split into a second front and a second rear probability wave packet (not shown) which around the second delay d2 are spaced from each other.
Die
Kurve oben links in
Insbesondere
zeigt jede der vier Kurven von
Jedoch
ist auch bei einem optischen Weglängenunterschied D, welcher
von diesem Sonderfall abweicht, im Bereich der Haupt-Extremwerte
Weiteres
Beispiel: Gerade Werte für
beide Zahlen n, m (rechte untere Kurve von
Für die quantenoptische
XOR-Operation ist in der Praxis nur der Bereich der Haupt-Extremwerte
Die zugehörige Antikoinzidenzwahrscheinlichkeit ist gegeben durch den Komplementärwert der Koinzidenzwahrscheinlichkeit, d.h. durch die Differenz 100% minus Koinzidenzwahrscheinlichkeit.The associated Anti-coincidence probability is given by the complementary value of the coincidence probability, i.e. by the difference 100% minus coincidence probability.
Die
Funktion der ersten bzw. zweiten Verzögerungsplatte
Die
Vorrichtung von
Durch
die Polarisatoren
Die
Polarisatoren
Auch
mittels eines Kompensators läßt sich der
Abstand des vorderen Wahrscheinlichkeitswellenpaketes vom hinteren
Wahrscheinlichkeitswellenpaket und damit die innere Phase zwischen
den beiden Anteilen des Photons verändern. Anstelle der Phasenmodulatoren
Die
Erfindung ist sehr vorteilhaft anwendbar zur Identifikation eines
Parteien-Paares,
bestehend aus einer ersten Partei A und einer zweiten Partei B, gegenüber einem
Kontrolleur C. Dies wird anhand von
Die
zweite Partei B erhält
einen zweiten geheimen Bitschlüssel
bS, bestehend aus einer Folge von zweiten Schlüsselbits, deren Anzahl im Beispiel von
Zur
erfindungsgemäßen Identifikation
des Parteienpaares A, B setzt die erste Partei A den ersten Bitschlüssels aS
um in eine zeitliche Abfolge von Werten für die ganze Zahl n. Dabei steuert
die erste Partei A die erste Verzögerung d1 zeitlich so, daß gesetzte
Bits des ersten Bitschlüssels
aS, in
Hierzu
kann insbesondere die Vorrichtung von
Hierbei
kann die Partei A beispielsweise gesetzte Bits des ersten Bitschlüssels aS
jeweils in den Wert n=1 und nicht gesetzte Bits des ersten Bitschlüssels aS
jeweils in den Wert n=0 umsetzen, so daß nur zwei verschiedene Werte
für die
Zahl n auftreten. Zur entsprechenden Steuerung der Eingangsspannung
ist dann vorteilhafterweise nur der Wechsel zwischen zwei verschiedenen
Spannungswerten erforderlich. Bei geeigneter Wahl der Dicke der
ersten Verzögerungsplatte
Eine
andere Möglichkeit
besteht darin, die Dicke der ersten Verzögerungsplatte
Völlig entsprechendes
gilt auch für
die Kodierung des zweiten Bitschlüssels bS in den zweiten Interferometerarm
durch die zweite Partei B. Die zweite Partei B setzt synchron zur
ersten Partei A den zweiten Bitschlüssel bS in eine zeitliche Abfolge
von Werten für
die ganze Zahl m um, indem die zweite Partei B die am Eingang
"Synchron" bedeutet hierbei, daß die Umsetzung der beiden Bitschlüssel aS, bS zeitlich so erfolgt, daß eine bitweise XOR-Verknüpfung des ersten und des zweiten Bitschlüssels erfolgen kann."Synchronous" means that the Implementation of the two bit keys aS, bS takes place in time so that a bitwise XOR operation the first and the second bit key can be done.
Jedes solchermaßen umgesetzte Bit des ersten Bitschlüssels aS bildet somit mit dem synchron hierzu umgesetzten Bit des zweiten Bitschlüssels bS ein Bitpaar, wobei zu jedem dieser Bitpaare genau ein Wert für die Zahl n sowie genau ein Wert für die Zahl m gehört.each thus converted bit of the first bit key aS thus forms with the synchronized thereto converted bit of the second bit key bS a pair of bits, with each of these pairs of bits being exactly one value for the number n and exactly one value for the number m belongs.
Der
Kontrolleur C erfaßt
synchron hierzu die Auslösungen
des Koinzidenzsignals und des Antikoinzidenzsignals und setzt diese
um in eine Ergebnis-Bitfolge cE (dritte Reihe in
Anschließend wird
die Ergebnis-Bitfolge cE mit dem dritten Bitschlüssel cS verglichen. Das durch die
erste und die zweite Partei gebildete Parteienpaar A, B wird nur
dann als identifiziert eingestuft, wenn mindestens ein bestimmter
vorgegebener Grad an Übereinstimmung
zwischen der Ergebnis-Bitfolge cE und dem dritten Bitschlüssel cS
vorliegt. Im Beispiel von
Ein
erfindungsgemäßer Identifikationsvorgang
kann also folgendermaßen
ablaufen: Die Photonepaarquelle erzeugt Photonenpaare, von denen jeweils
ein Photon zur Partei A und zur Partei B gelangt. Die Parteien A
und B verfügen
jeweils über
ein optisches Verzögerungselement
In der Praxis kann die Länge der Bitschlüssel und damit die Anzahl der vorhandenen Positionen selbstverständlich weit größer als neun gewählt werden. Ferner brauchen der erste und der zweite Bitschlüssel aS, bS nicht notwendigerweise gleich lang zu sein; bei verschiedener Länge derselben ist für die Identifizierung des Parteienpaares A, B dann allerdings nur der Überlappungsbereich des ersten und des zweiten Bitschlüssels relevant.In The practice can be the length the bitkey and of course the number of available positions far greater than nine elected become. Furthermore, the first and second bit keys aS, not necessarily the same length; at different Length of the same is for the identification of the party pair A, B then only the overlap area relevant to the first and the second bit key.
Die
Erfindung ist gemäß einer
weiteren Variante ferner sehr vorteilhaft anwendbar zur Identifikation
des Parteien-Paares A, B gegenüber
dem Kontrolleur C, wobei festgestellt werden kann, ob ein Versuch
unternommen wurde, des ersten bzw. zweiten Bitschlüssel unrechtmäßig abzuhören. Dies
wird anhand der
Gemäß dieser
Variante erhält
die erste Partei A wiederum, wie bereits bei dem unter Bezug auf
Dies
ist in der ersten Reihe von
Das
Ergebnis dieser Ersetzungen ist die erste Prüf-Bitfolge aP (jeweils erste
Reihe von
Da nicht nur die Positionen der Prüfbits, sondern auch deren Inhalt willkürlich bzw. zufällig gewählt wurde, unterscheidet sich die erste Prüf-Bitfolge aP in der Regel nicht an sämtlichen, sondern nur an einem Teil der ersten Prüfbit-Positionen, nämlich im vorliegenden Beispiel nur an den beiden Prüfbit-Positionen PPa1 und PPa3, vom ersten Bitschlüssel aS. Dies ist jedoch für das weitere Verfahren ohne Belang.There not only the positions of the check bits, but also their content arbitrarily or random chosen The first check bit sequence aP usually differs not at all, but only on a part of the first check bit positions, namely in the present example only at the two check bit positions PPa1 and PPa3, from the first bit key aS. However, this is for the further procedure irrelevant.
Ebenso
erhält
die zweite Partei B wiederum den zweiten geheimen Bitschlüssel bS
und modifiziert diesen zu einer zweiten Prüf-Bitfolge bP (zweite Reihe
in
Dies
ist in der zweiten Reihe in
Wiederum erhält der Kontrolleur C den dritten geheimen Bitschlüssel cS, welcher gegeben ist durch die bitweise logische XOR-Verküpfung zwischen dem ersten und dem zweiten Bitschlüssel aS, bS, so daß cS = aS XOR bS gilt.In turn receives the controller C the third secret bit key cS, which is given by the bitwise logical XOR connection between the first and second bit-keys aS, bS, such that cS = aS XOR bS applies.
Nun
setzt die erste Partei A die erste Prüf-Bitfolge aP in eine zeitliche
Abfolge von Werten für
die ganze Zahl n um, indem die erste Partei A die erste Verzögerung d1
zeitlich so steuert, daß gesetzte
Bits der ersten Prüf-Bitfolge
aP in ungeradzahlige Werte für
die Zahl n und nicht gesetzte Bits der ersten Prüf-Bitfolge aP in geradzahlige
Werte für
die Zahl n umgesetzt werden, d.h. die erste Partei A kodiert die erste
Prüf-Bitfolge
aP in den ersten Interferometerarm. Hierbei kann die erste Partei
A so vorgehen wie oben unter Bezug auf
Ebenso setzt die zweite Partei B synchron hierzu die zweite Prüf-Bitfolge bP in eine zeitliche Abfolge von Werten für die ganze Zahl m um, indem die zweite Partei B die zweite Verzögerung d2 zeitlich so steuert, daß gesetzte Bits der zweiten Prüf-Bitfolge bP in ungeradzahlige Werte für die Zahl m und nicht gesetzte Bits der zweiten Prüf-Bitfolge bP in geradzahlige Werte für die Zahl m umgesetzt werden.As well the second party B sets the second check bit sequence synchronously bP into a time sequence of values for the integer m um by the second party B controls the second delay d2 in time, that put Bits of the second check bit sequence bP in odd values for the number m and unset bits of the second check bit string bP into even values for the number m will be implemented.
Somit
bildet jedes solchermaßen
umgesetzte Bit der ersten Prüf-Bitfolge
aP mit dem synchron hierzu umgesetzten Bit der zweiten Prüf-Bitfolge
bP ein Bitpaar, zu jedem Bitpaar genau ein Wert für die Zahl
n sowie genau ein Wert für
die Zahl m gehört.
Es sei nochmals hervorgehoben, daß hierbei die Parteien A und
B im Gegensatz zu dem unter Bezug auf
Hierbei steuern die erste Partei A die erste Verzögerung d1 und die zweite Partei B die zweite Verzögerung d2 zeitlich so, daß auf jedes in das Interferometer einfallende oder auf jedes das Interferometer durchlaufende Photonenpaar genau ein Bitpaar oder mindestens ein Bitpaar oder im Mittel mindestens ein Bitpaar entfällt. Hierdurch wird sichergestellt, daß bei der Kodierung der Prüf-Bitfolgen aP, bP in die Interferometerarme genau ein Photonenpaar, höchstens ein Photonenpaar oder im Mittel höchstens auf jedes Bitpaar entfällt. Dies wiederum bedeutet, daß auf jedes Bit der ersten Prüf-Bitfolge aP genau eines der ersten Photonen oder höchstens eines der ersten Photonen oder im Mittel höchstens eines der ersten Photonen entfällt, und daß auf jedes Bit der zweiten Prüf-Bitfolge bP genau eines der zweiten Photonen oder höchstens eines der zweiten Photonen oder im Mittel höchstens eines der zweiten Photonen entfällt. Der Bitfluß in Bit pro Sekunde, Baudrate, ist in diesem Fall ebenso groß bzw. mindestens so groß bzw. im Mittel mindestens so groß wie der Photonenfluß in Photonen pro Sekunde.in this connection the first party A control the first delay d1 and the second party B the second delay d2 in time so that on each incident into the interferometer or to each the interferometer passing photon pair exactly one bit pair or at least one Bit pair or on average at least one bit pair is omitted. hereby will ensure that at the coding of the test bit sequences aP, bP into the interferometer arms exactly one photon pair, at most a photon pair or on average at most on each bit pair is omitted. This turn means that on every bit of the first check bit string aP is exactly one of the first photons or at most one of the first photons or on average at most one of the first photons is omitted, and that on every bit of the second check bit string bP exactly one of the second photons or at most one of the second photons or on average at most one of the second photons is omitted. The bit flow in Bit per second, baud rate, is in this case as large or at least so big or on average at least as big as the photon flux in Photons per second.
Um ein Bit abzuhören, steht der abhörenden Partei unter dieser Bedingung genau ein Photon oder höchstens ein Photon oder im Mittel höchstens ein Photon zur Verfügung. Dieses Photon steht dann für eine XOR-Operation nicht mehr oder nur noch in veränderter Form zur Verfügung. Durch die genannte Bedingung wird also vorteilhafterweise erreicht, daß ein Abhören der in die Interferometerarme kodierten Prüf-Bitfolgen durch eine hierzu nicht autorisierte Partei, z.B. durch den Kontrolleur C, aus quantenmechanischen Gründen das Ergebnis der zu dem betreffenden Photonenpaar gehörigen XOR-Operation verfälscht wird, wodurch der Abhörversuch entdeckt werden kann, wie im folgenden erläutert wird.Around to listen to a bit, is the listening party under this condition exactly one photon or at most one photon or im Means at most a photon available. This photon then stands for one XOR operation is no longer available or only available in modified form. By the said condition is thus advantageously achieved that a listening to the in the Interferometerarme coded test bit sequences by a this unauthorized party, e.g. by the controller C, from quantum mechanical establish the result of the XOR operation belonging to the respective photon pair is falsified, whereby the listening attempt can be discovered, as explained below.
Der
Kontrolleur C erfaßt
synchron zu der oben erläuterten
Kodierting der Prüf-Bitfolgen aP, bP in
die Interferometerarme die Auslösungen
des Koinzidenzsignals und des Antikoinzidenzsignals und setzt diese
um in eine dritte Prüf-Bitfolge cP (dritte Reihe
in
Die
nun folgenden restlichen Verfahrensschritte dienen dazu, ob eine
der Prüf-Bitfolgen aP, bP
abgehört
wurde, sei es durch den Kontrolleur C selbst, durch eine der Parteien
A oder B oder durch eine weitere Partei. Z.B. könnte der Kontrolleur C illegalerweise
nicht nur das Ausgangssignal der Koinzidenzschaltung
Die
ersten Prüfbit-Positionen
werden mit den zweiten Prüfbit-Positionen
verglichen (zweite und vierte Reihe von
Zu jeder Übereinstimmungs-Position ÜP1, ÜP2 gehört somit jeweils genau ein Bit der ersten Prüf-Bitfolge aP, der zweiten Prüf-Bitfolge bP und der dritten Prüf-Bitfolge cP.To Each match position ÜP1, ÜP2 is thus included exactly one bit each of the first check bit sequence aP, the second Testing bit sequence bP and the third check bit sequence cP.
Nachdem
die Übereinstimmungs-Positionen ÜP1, ÜP2 festgestellt
sind, wird nacheinander für jede
derselben durch logische XOR-Verknüpfung zwischen dem zugehörigen Bit
der ersten Prüf-Bitfolge
aP und dem zugehörigen
Bit der zweiten Prüf-Bitfolge
bP ein Übereinstimmungs-Bit
bestimmt. Für
die erste Übereinstimmungs-Position ÜP1 ergibt
sich das Übereinstimmungs-Bit
1 XOR 0 = 1, für
die zweite Übereinstimmungs-Position ÜP2 sich
das Übereinstimmungs-Bit
0 XOR 0 = 0 (sechste Reihe in
Nun werden die Übereinstimmungs-Bits mit den jeweils zugehörigen Bits der dritten Prüf-Bitfolge cP verglichen. Der erste und der zweite Bitschlüssel aS, bS werden als abgehört eingestuft, falls dieser Vergleich ergibt, daß mindestens eine vorgegebene kritische Zahl Z oder mindestens ein vorgegebener kritischer Anteil AZ der Übereinstimmungs-Bits von dem jeweils zugehörigen Bit der dritten Prüf-Bitfolge cP abweicht. Im vorliegenden Beispiel hat der Kontrolleur C in der dritten Prüf-Bitfolge cP an der Übereinstimmungs-Position ÜP1 (=Position P3) den Wert 1 (Koinzidenzsignal), an der Übereinstimmungs-Position ÜP2 (=Position P6) den Wert 0 (Antikoinzidenzsignal) erfaßt. Keines der Übereinstimmungs-Bits weicht also von dem jeweils zugehörigen Bit der dritten Prüf-Bitfolge cP ab. Der erste und der zweite Bitschlüssel aS, bS werden daher nicht als abgehört eingestuft, sondern können weiterhin als geheim gelten. Andernfalls kann erwogen werden, die Bitschlüssel aS, bS zu verwerfen und durch neue Bitschlüssel zu ersetzen.Now become the match bits with the respective associated Bits of the third check bit sequence cP compared. The first and second bit-keys aS, bS are classified as eavesdropped, if this comparison shows that at least one predetermined critical Number Z or at least a predetermined critical portion AZ of the match bits from the respectively associated Bit of the third check bit sequence cP deviates. In the present example, the controller has C in the third check bit string cP at the coincidence position ÜP1 (= position P3) the value 1 (coincidence signal), at the coincidence position ÜP2 (= position P6) the value 0 (anti-coincidence signal). None of the match bits give way So from the respectively associated Bit of the third check bit sequence cP off. Therefore, the first and second bit-keys aS, bS do not become classified as eavesdropped, but you can continue to be considered secret. Otherwise, it may be considered that wrench aS, bS to discard and replace with new bit-key.
Der Kontrolleur C oder eine sonstige nicht autorisierte Partei ist bei diesem Verfahren auch durch abweichende Meßmethoden nicht in der Lage, die beteiligten Bitschlüssel aS, bS direkt und fehlerfrei zu ermitteln. Ein Versuch, dies zu tun, kann aufgedeckt werden, indem die Parteien A und B an zufälligen Positionen statt eines Bits aus ihrem Schlüssel aS bzw. bS ein zufälliges Bit kodieren. Kodieren A und B zufällig zur gleichen Zeit ein solches Prüfbit, so sind sie in der Lage, dies im Nachhinein öffentlich mit dem von C gemessenen Ergebnis zu vergleichen. A und B geben dazu zuerst (über einen öffentlichen Kanal) eine Liste mit den Positionen ihrer Prüfbits an und vergleichen diese beiden Listen miteinander. Für die Positionen, an denen A und B zugleich Prüfbits kodiert haben, nennt C seine Meßergebnisse, die dann von A und B über den öffentlichen Kanal mit den Prüfbits verglichen werden. Versuchte C nun bei der Messung statt des XOR-Signals die Bitströme von A und B direkt zu ermitteln, so führte er dabei Fehler ein und kann für die Prüfpositionen nicht immer die korrekte Antwort geben, so daß dieser Versuch entdeckt wird. Die Schlüssel a und b sind dann als kompromittiert zu betrachten und müssen verworfen werden.Of the Checker C or any other unauthorized party is at This method is also not able by deviating methods of measurement, the participating bit key aS, bS to determine directly and without errors. An attempt to do this can be uncovered by parties A and B at random positions instead of a bit from her key aS or bS is a random one Encode bit. Encode A and B at random at the same time such check bit, so they are able to do so in retrospect publicly with that measured by C. To compare result. A and B give this first (via a public Channel) list and compare the positions of their check bits two lists with each other. For the Positions where A and B have coded check bits at the same time C his measurement results, then from A and B over the public Channel with the check bits be compared. Now tried C in the measurement instead of the XOR signal the bitstreams from A and B to determine directly, so he introduced errors and can for the test positions do not always give the correct answer, so this attempt is discovered. The keys a and b are then considered compromised and must be discarded become.
Gewerbliche Anwendbarkeit:Industrial Applicability:
Die Erfindung ist gewerblich anwendbar z.B. im Bereich der Optoelektronik, der optischen Datenverarbeitung, der optischen Nachrichtenübertragung und der Kryptographie.The Invention is industrially applicable e.g. in the field of optoelectronics, optical data processing, optical communication and cryptography.
- 11
- Photonenquellephoton source
- 22
- Primärlaserprimary laser
- 2A2A
- Strahl von Primärphotonenbeam of primary photons
- 33
- nichtlinearer optischer Kristallnonlinear optical crystal
- 11, 11111 111
- erste, zweite optische Verzögerungseinrichtungfirst, second optical delay device
- 12,11212,112
- erste, zweite doppelbrechende Plattefirst, second birefringent plate
- 13, 11313 113
- erstes, zweites optisches Steuerelementfirst, second optical control
- 13E, 113E13E, 113E
-
Steuereingänge von
13 ,113 Control inputs from13 .113 - 15, 11515 115
- erster, zweiter SpiegelFirst, second mirror
- 3030
- Strahlenkopplerbeam coupler
- 31, 13131 131
- erster, zweiter KopplereingangFirst, second coupler input
- 32, 13232 132
- erster, zweiter KopplerausgangFirst, second coupler output
- 33, 13333 133
- erster, zweiter DetektorFirst, second detector
- 4040
- Koinzidenzschaltungcoincidence circuit
- 40A40A
-
Ausgang
von
40 Output from40 - 5151
- erstes vorderes Wahrscheinlichkeitswellenpaketfirst front probability wave packet
- 5252
- erstes hinteres Wahrscheinlichkeitswellenpaketfirst rear probability wave packet
- 61,62,63,6461,62,63,64
- Haupt-ExtremwerteMain extremes
- d1, d2d1 d2
- erste, zweite Verzögerungfirst, second delay
- DD
- Unterschied der optischen Weglängedifference the optical path length
- n, mn, m
- ganze Zahlenwhole numbers
- λ1, λ2 λ 1 , λ 2
- Wellenlänge des ersten, zweiten PhotonsWavelength of the first, second photons
Claims (74)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10222170A DE10222170B4 (en) | 2002-04-10 | 2002-05-18 | Quantum optical interference device and method for operating such |
Applications Claiming Priority (3)
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---|---|---|---|
DE10215687 | 2002-04-10 | ||
DE10215687.5 | 2002-04-10 | ||
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE10222170A1 DE10222170A1 (en) | 2003-10-23 |
DE10222170B4 true DE10222170B4 (en) | 2007-06-21 |
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Family Applications (1)
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Country Status (1)
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Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19823849A1 (en) * | 1998-05-28 | 1999-12-09 | Deutsche Telekom Ag | Method and device for generating single photons or pairs of photons in an optical channel |
-
2002
- 2002-05-18 DE DE10222170A patent/DE10222170B4/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19823849A1 (en) * | 1998-05-28 | 1999-12-09 | Deutsche Telekom Ag | Method and device for generating single photons or pairs of photons in an optical channel |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
PFISTER,Olivier,et.al.: Polarization Instabilities in a Two-Photon Laser. In: Physical Review Letters, Vol.86, No.20, 14 May 2001, ISSN 0031-9007, S.4512-4515 * |
PFISTER,Olivier,et.al.: Polarization Instabilities in a Two-Photon Laser. In: Physical Review Letters, Vol.86, No.20, 14 May 2001, ISSN 0031-9007, S.4512-4515; |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE10222170A1 (en) | 2003-10-23 |
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