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Quanten-Protokolle

Quanten-Schlüsselverteilung

Abb. 1: Retroreflexion unseres Leitstrahls über eine Entfernung von 100m.
Abb. 2: Die Q-Funktion wird benutzt, um effektive Verschränkung nachzuweisen. Die Abbildung zeigt die von Bob rekonstruierte Q-Funktion eines in S2 modulierten Signals. Wegen der sehr schwachen Modulation können die zwei Signalzustände kaum unterschieden werden.
Abb. 3: Alice' Teleskop im MPL Gebäude

Quanten-Schlüsselverteilung (quantum key distribution, QKD) ist die Erzeugung eines gemeinsamen, geheimen Schlüssels zwischen zwei Parteien, die normalerweise Alice und Bob genannt werden. Die Sicherheit liegt dabei in den Gesetzen der Quantenmechanik begründet, im Gegensatz zu unbewiesenen mathematischen Annahmen bei klassischen Verfahren.

In unserem Freistrahl-QKD-Aufbau kodieren wir das Signal in kohärente Zustände, die einfache und schnelle Zustands-Präparation und -Messung ermöglichen. Wir benutzen ein Paar konjugierter Polarisations-Variablen (Stokes-Parameter) als Signalträger. Dadurch erreichen wir beim Empfänger einen ausgezeichneten Interferenzkontrast, der keiner Stabilisierung bedarf. Nach der erfolgreichen Demonstration dieses QKD-Schemas im Labor arbeiten wir nun an Steigerungen von Pulsrate und Übertragungsdistanz. Wir haben eine Freiraumverbindung über eine Entfernung von 100m auf dem Dach unseres Institutsgebäudes aufgebaut, die es uns ermöglicht atmosphärische Effekte für die QKD mit kontinuierlichen Variablen zu quantifizieren. In dieser Machbarkeitsstudie befinden sich, aus Gründen der Einfachheit, Alice´ und Bobs Station auf dem selben optischen Tisch. Der Lichtstrahl wird auf das Dach gesendet und nach 50m von einem Retro-Reflektor zurückgeworfen (vgl. Abb. 1). Die Ergebnisse wurden in [1,2] veröffentlicht. Als nächsten Schritt wollen wir eine wirkliche Punkt-zu-Punkt Verbindung im Kilometerbereich aufbauen.

Im Gegensatz zu verschränkungsbasierten QKD-Schemata ist unser Aufbau vom Typ „Präparation & Messung“. Dennoch können Alice und Bob ihre Korrelationen modellieren, als ob sie einen verschränkten Zustand teilen würden [3]. In Zusammenarbeit mit der Gruppe von Norbert Lütkenhaus bestimmen wir Kriterien gegen ausgeklügelte Abhörstrategien, wie z.B. eine Manipulation des Lokaloszillators (vgl. Abb. 2). Vor kurzem haben wir zudem einen einfachen Lauschangriff, der für bestimmte Klassen von QKD-Schemata bewiesenermaßen optimal ist, experimentell untersucht [4].

Zusätzlich haben wir unser Freistrahl-QKD-Schema auch erfolgreich auf einen Glasfaserkanal angepasst. In diesem Experiment konnten wir nichtklassische Korrelationen zwischen Sender und Empfänger nachweisen, eine sogenannte "effektive Verschränkung" [5].

An diesem Projekt sind beteiligt:
Christian Peuntinger
,   Imran Khan,   Bettina Heim,   Nitin Jain,   Denis Sych,  
Christoffer Wittmann,   Christoph Marquardt,   Gerd Leuchs

[1] B. Heim, D. Elser, T. Bartley, M. Sabuncu, C. Wittmann,
     D. Sych, C. Marquardt und G. Leuchs,
     Appl. Phys. B, 98 (4), 635-640 (2010). [preprint]

[2] D. Elser, T. Bartley, B. Heim, C. Wittmann, D. Sych und
     G. Leuchs,
     New Journal of Physics 11, 045014 (2009). [preprint]

[3] S. Lorenz, J.Rigas, M. Heid, U.L. Andersen, N. Lütkenhaus
     und G. Leuchs,
     Phys. Rev. A 74, 042326 (2006). [preprint]

[4] M. Sabuncu, L. Mista, Jr.,J. Fiurásek, R. Filip, G. Leuchs,
     U.L. Andersen,
     Phys. Rev. A 76, 032309 (2007). [preprint]

[5] C. Wittmann, J. Fürst, C. Wiechers, D. Elser, H. Häseler,
     N. Lütkenhaus, und G. Leuchs
     Optics Express 18, 4499 (2010). [preprint]

Abb. 4: Klonen phasenkonjugierter Zustände

Quantenklonen

Aufgrund der Linearität der Quantenmechanik ist es unmöglich einen beliebigen Quantenzustand perfekt zu klonen. Es ist aber interessant, die bestmögliche Klonmaschine zu entwickeln, d.h. einen optimalen Verteiler von Quanteninformation. Basierend auf einem quantenrauschbegrenzten Verstärker hat unsere Gruppe einen nahezu optimalen Quantenkloner für kohärente Zustände realisiert [1]. Des Weiteren haben wir gezeigt, dass die Leistung des Kloners weiter erhöht werden kann, wenn er mit Paaren phasenkonjugierter kohärenter Zustände oder zusätzlicher a-priori Information über den Eingangszustand versorgt wird (vgl. Abb. 2)[2, 3].

An diesem Projekt sind beteiligt:
Christian Müller
,   Christoffer Wittmann,   Christoph Marquardt,   Gerd Leuchs

[1] V. Josse, M. Sabuncu, N. Cerf, G. Leuchs, and U. L. Andersen,
     Phys. Rev. Lett. 96, 163602 (2006). [preprint]

[2] M. Sabuncu, U.L. Andersen, G. Leuchs,
     Phys. Rev. Lett. 98, 170503 (2007). [preprint]

[3] M. Sabuncu, G. Leuchs, U.L. Andersen,
     Phys. Rev. A 78, 052312  (2008). [preprint]