Quantentechnologien Lehrerfortbildung, 26.06.2019, KIT

Quantentechnologien
Prof. David Hunger

Physikalisches Institut, Fakultät für Physik

 Lehrerfortbildung, 26.06.2019, KIT

KIT – Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft www.kit.edu

Quantenphysik am KIT

2 19.06.2019 KIT – Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft

Physikalisches Institut

 Wolfgang Wernsdorfer

 Alexey Ustinov

 Wulf Wulfhekel

 Georg Weiß

 David Hunger
3 26.06.2019 KIT – Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft

Die 1. Quantenrevolution

4 24.06.2019

Geburtsstunde der Quantenphysik

 Max Planck (1858 – 1947)
 Schwarzkörperstrahlung (1900):

 8 2 ℎ 
 , =
 3 ℎ // −1

 ℎ Planck‘sches Wirkungsquant
 Bild: Wikipedia

 Ein strahlender Körper kann nur diskrete
 Lichtpakete - Quanten - abgeben

5 24.06.2019

Lichtquanten

 Max Planck (1858 – 1947)
 Albert Einstein (1879 - 1955)

 Lichtquanten Hypothese (1905)

 = ℎ 

 „Die ganzen 50 Jahre bewusster Grübelei haben
 Bild: Wikipedia
 mich der Antwort der Frage ‚Was sind
 Lichtquanten‘ nicht näher gebracht. Heute glaubt
 zwar jeder Lump, er wisse es, aber er täuscht
 sich…“

6 24.06.2019

Bohrsches Atommodell

 Max Planck (1858 – 1947)
 Albert Einstein (1879 - 1955)
 Niels Bohr (1885 – 1962)

 Atommodell (1913)

 „Quantensprung“
 Bild: Wikipedia

7 24.06.2019

Materiewellen

 Max Planck (1858 – 1947)
 Albert Einstein (1879 - 1955)
 Niels Bohr (1885 – 1962)
 Louis de Broglie (1892 – 1987)

 Materiewellen (1924): Welle-Teilchen-
 Dualismus
 ℎ 
 = Bild: Wikipedia

 p

8 24.06.2019

Schrödingers Wellengleichung

 Max Planck (1858 – 1947)
 Albert Einstein (1879 - 1955)
 Niels Bohr (1885 – 1962)
 Louis de Broglie (1892 – 1987)
 Erwin Schrödinger (1887 - 1961)

 Schrödinger Gleichung (1926)
 Bild: Wikipedia

 ℏ2 2
 ℏ = − + 
 2 

9 24.06.2019

Die Wellenfunktion 

 Lösung der Schrödingergleichung

 nicht direkt messbar 2

 Betragsquadrat 2 beschreibt
 Wahrscheinlichkeitsdichte

 enthält alle Information eines
 quantenmechanischen
 Zustands 

10 24.06.2019

Wellenfunktion im Wasserstoffatom

 (1,0,0)

 Bild: Wikipedia

11 25.06.2019

Unschärferelation

 Max Planck (1858 – 1947)
 Albert Einstein (1879 - 1955)
 Niels Bohr (1885 – 1962)
 Louis de Broglie (1892 – 1987)
 Erwin Schrödinger (1887 - 1961)
 Werner Heisenberg (1901 – 1976)

 Matritzenmechanik (1925) Bild: Wikipedia

 Unschärferelation (1927)

 Δ Δ ~ ℎ

12 25.06.2019

Superposition

 Zustandsüberlagerung

 = + 
 , ∈ ℂ
 = + | ⟩

 | ⟩ 

13 24.06.2019

Schrödingers Katze

 Bild: Wikipedia

14 19.06.2019

Schrödingers Katze

 Bild: Internet

15 25.06.2019

Messung

 Es können nur „Eigenzustände“ gemessen werden
 Zustand = + | ⟩
 
 | ۧ oder | ⟩
 
 „Kollaps“ der Wellenfunktion

 Messergebnis: Einzelmessung zufällig, viele Messungen:
 mit Wahrscheinlichkeit 2
 mit Wahrscheinlichkeit 2

 Messung zerstört Überlagerung!

16 24.06.2019

Verschränkung

 Mehrteilchen Zustand der nicht als Kombination
 unabhängiger Einteilchen Zustände beschreibbar ist

 Atom

 1
 |Ψۧ = | , lebtۧ + | , tot⟩
 2

 Katze

17 24.06.2019

Verschränkung

 Mehrteilchen Zustand der nicht als Kombination
 unabhängiger Einteilchen Zustände beschreibbar ist

 1
 |Ψۧ = | , ۧ + | , ⟩
 2

 „Spukhafte Fernwirkung“
 (Einstein)
 Bilder: Internet

18 24.06.2019

"Es ist fair zu sagen, dass wir genauso wenig mit
 einzelnen Teilchen experimentieren, wie wir auch
 keine Ichthyosaurier im Zoo züchten können.„
 Erwin Schrödinger (1952)

 Bild: Wikipedia

19 24.06.2019

Die 2. Quantenrevolution

 PRX 8, 021012 (2018)

20 24.06.2019

Zwei-Niveau Quantensystem
 E
 Allgemeine Überlagerung:
 
 = − + − ℏ 
 
 Ignoriere globale Phase  Bloch Vektor
 
 = sin + cos , = 
 2 2

 alle möglichen Zustände: Bloch Kugel

 Quantenzustand charakterisiert durch
 
 Phase und Population ~ cos 2
 2
 
 Bild: Wikipedia

21 25.06.2019

Kohärenz

 Phase = z.B. für atomaren Übergang E
 durch Naturkonstanten gegeben
 
  Taktgeber für Atomuhren ℏ 
 
 Phase empfindlich auf äußere Einwirkungen
  Fluktuationen führen zu „Dephasieren“
 
  Wechselwirkung führt zu „Dekohärenz“

 hohe Empfindlichkeit für Sensorik nützlich

 lange Kohärenz zentral für alle
 Quantentechnologien

 Bild: Wikipedia

22 25.06.2019 KIT – Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft

Zwei-Niveau System als Quantenbit

 Klassische Information:
 Klassisches Bit 0,1
 Logische Operationen (Gatter): AND, OR, NOT
 Bits stellen Informationseinheiten dar

 Quanteninformation
 Quantenbit = 0 + 1 CNOT-Gatter
  Superposition
 00 → 00
 Quantengatter: CNOT, CPHASE 01 → |01⟩
  Verschränkung 10 → |11⟩
 Qubits können 2 Zustände einnehmen 11 → |10⟩
 Bsp: = 50; 2 = 1015

 Es können zwar nur Bits an Information ausgelesen werden, aber alle
 2 Zustände für Berechnungen verwendet werden

23 25.06.2019

Quantentechnologien

 2. Quantenrevolution
 einzelne Quantensysteme als
 kontrollierte Bausteine
 Superposition, Quantenkohärenz &
 Verschränkung als Ressource

 Anwendungsgebiete
 Quantenkommunikation
 Quantensensorik & -metrologie
 Quantencomputer
 Quantensimulation

 Bilder: Quantum Manifesto

24

Weltweite Förderaktivitäten

 Europäische Union: 1Mrd €
 Quantentechnologie Flaggschiff

 England: 330 M€
 China: > 10 Mrd €
 USA: 1 Mrd €
 Deutschland: ~ 600 M€

25 19.06.2019 KIT – Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft
 Bilder: Quantum Manifesto

Quantenkommunikation

 Bilder: Internet

26 25.06.2019

Quantenkryptographie

 Quantenzustände können nicht kopiert
 werden (No-Cloning-Theorem)

 Oder: Jede Messung beeinflusst das
 gemessene System

  absolut abhörsicher

27 25.06.2019

Quantenkryptographie

 Sicherer Schlüsselaustausch:
 Sender (Alice) gibt geheimen Schlüssel an Empfänger (Bob)

 Verschlüsselung: Summe modulo 2 ()
 0+00
 0+11
 1+00
 1+10
 Beispiel:
 Botschaft: (geheim) 1001101101 (=B)
 Schlüssel: (geheim) 1010111000 (=S)
 Botschaft verschl. (öffentlich) 0011010101 (=BS)

28 25.06.2019

Quantenkryptographie

 PRL 84, 4729 (2000)

29 25.06.2019

Quantenkryptographie

 Implementierung:
 Polarisation einzelner Photonen
 Zustände |0ۧ, |1ۧ entsprechen Polarisation | ۧ, | ۧ

 | ⟩

 | ⟩
 
30 25.06.2019

Verschränkte Photonenpaare

 Erzeugung

 Anton Zeilinger

 1
 |Ψ ± ൿ = | ۧ ± | ۧ
 2
 1
 |Φ± ൿ = | ۧ ± | ۧ
 2
 Bilder: Internet / J. Phys. Soc. Jpn 72, 168, (2003)

31 25.06.2019

Detektion

 Detektion & Manipulation der Polarisation

 Polarisationsdetektion:
 - Strahlteilerwürfel
 - Einzelphotonzähler

 Polarisationsdreher ( /2-Plättchen)

 Transmission zufällig für gedrehte Messbasis
 | ۧ
 |+ۧ = +45°
 | ⟩
 − = | − 45°⟩

32

Zufällige Basiswahl

 wähle zufällige Basis ( , ) / (+, −)
 | ۧ
 |+ۧ = +45°
 | ⟩ | ⟩ |+⟩
 − = | − 45°⟩

 Z.B. durch Zufall am Strahlteiler | ⟩

 |−⟩

 verschränkter Zustand: Korrelation unabhängig von Messbasis
 + = + + + | − −⟩
 Nature 433, 230 (2005)

33 25.06.2019 KIT – Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft

Quantenkryptographie

 Nature 433, 230 (2005)

34 25.06.2019

Basis Wahl und Schlüsselerzeugung

35 25.06.2019

Quantenkryptographie

 Überbrückung weiter Strecken via Satellit

 Jianwei Pan

36 25.06.2019 PRL 120, 030501 (2018)

Quantenkommunikationsnetzwerke

 Alternative: Optische Glasfasern
 Problem: Dämpfung (0.2dB/km) > 97% Verlust nach 100km

 Aber: Direkte Verstärkung nicht möglich
  sichere Zwischenstationen
  Verschränkungsverteilung

 Bild: Saleh, Teich, Fundamentals of Photonics

37 25.06.2019

Quantenlink Shanghai – Peking

 2000km

 32 Zwischenstationen

38 25.06.2019 KIT – Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft
 Bilder: Internet

Quantenrepeater

 Allgemeine Lösung: Quantenrepeater

 Verschränkungsverteilung
 Startpunkt: Verschränktes Photonenpaar

 Verschränkungstausch über Bell-Messung

39 25.06.2019 Bilder: www.quantumrepeaters.eu

Quantenrepeater

 Synchronisation mit Quantenspeichern

 www.quantumrepeaters.eu
 https://qlinkx.de

40 25.06.2019

Quantenrepeater

 Quantenzustand eines Photons wird auf einzelnes Atom übertragen
 Optische Resonatoren für effiziente Zustandsübertragung
 Spin Zustände für langlebige Speicherung

 Quanten
 Messung

41 25.06.2019

Festkörperemitter als Qubits

42 19.06.2019 KIT – Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft

Festkörperemitter in Mikroresonatoren

43 25.06.2019 KIT – Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft

Festkörperemitter in Mikroresonatoren

44 25.06.2019 KIT – Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft

Faser Fabry-Perot Resonatoren

 mikroskopische Mode w0 ~ l

 Finesse ~ 105

 Verstärkungsfaktor bis 104

45 19.06.2019

Quantenkommunikation

 Vision: Quanteninternet

 Sichere Kommunikation
 Verteilung von Verschränkung
 Synchronisation genauer Uhren (Atomuhren)
 Verknüpfung von Quantencomputern

46 25.06.2019

Interessante Webseiten

 milq.tu-bs.de (Quantenphysik für die Schule)
 play.quantumgame.io (Spiel – Quantenoptik mit Quantenlichtquellen,
 Spiegeln, Interferometer)
 www.scienceathome.org (diverse Spiele / app, Transport einer
 Wellenfunktion im Raum)
 helloquantum.mybluemix.net (IBM Quantenspiel)
 www.research.ibm.com/ibm-q (IBM quantum computing)
 www.meqanic.com/app/ (Quanten Puzzle)
 www.qt.eu (Website des europäischen Quanten Flagships)
 http://quantumalgorithmzoo.org (Überblick Quantenalgorithmen)
 www.qutools.com/quantum-physics-education-science-kits/ (Firma,
 stellt Quantenoptik Demonstrationsexperimente her)

47 26.06.2019 KIT – Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

48 19.06.2019 KIT – Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft