Quantenkryptographie Lichtgitter

Präsentation zum Thema: "Quantenkryptographie Lichtgitter"—  Präsentation transkript:

1 Quantenkryptographie Lichtgitter
Inhalt Atome als Quantenmechnische Teilchen Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed Choice Doppelspaltversuche mit Teilchen: Elektronen Atome, Moleküle Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission Beispiel H2 Quantenkryptographie Lichtgitter 7.Atomspiegel Wechselwirkung mit Atomen Photon-Atom Wechselwirkung Wiederholung: Photoeffekt, Comptoneffekt, Winkel- und Energieverteilungen Doppelanregung, Interferenzeffekte Mehrfachionisation: Mechanismen, Energie- und Winkelverteilungen Molekulare Photoionisation: Höhere Drehimpulse Atome in starken Laserfeldern Multiphotonenionisation Tunnelionisation Der Rückstreumechanismus: Höhere Harmonische, hochenergetische Elektronen, Doppelionisation Mehrfachionisation: Mechanismen, Impulse und Energien Ion-Atom Stöße Elektronentransfer Ionisation

2 auch „individualisierte“ Teilchen mit vielen inneren Freiheitgraden zeigen Interferenz
Streuung von Licht und Teilchen zerstört graduell den Kontrast Thermische Emission zerstört die Interferenz

3 Verlust an Interferenz:
Streuung: Impulsübertrag Verschränkung Quanteneraser Dekoherenz (Verschränkung mit Umwelt)

4 Beispiel H2 Inhalt Atome als Quantenmechnische Teilchen
Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed Choice Doppelspaltversuche mit Teilchen: Elektronen Atome, Moleküle Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission Beispiel H2 Quantenkryptographie Lichtgitter Atomspiegel Wechselwirkung mit Atomen Photon-Atom Wechselwirkung Wiederholung: Photoeffekt, Comptoneffekt, Winkel- und Energieverteilungen Doppelanregung, Interferenzeffekte Mehrfachionisation: Mechanismen, Energie- und Winkelverteilungen Molekulare Photoionisation: Höhere Drehimpulse Atome in starken Laserfeldern Multiphotonenionisation Tunnelionisation Der Rückstreumechanismus: Höhere Harmonische, hochenergetische Elektronen, Doppelionisation Mehrfachionisation: Mechanismen, Impulse und Energien Ion-Atom Stöße Elektronentransfer Ionisation

5 circular polararized Diplomarbeit: Katharina Kreidi (2006)
Dominique Akoury (2007) Cohen & Fano Briggs Thomas Young 1801 Atomoptics today Molecular Photoionization

6 H2 as Double Slit

7 electron energy: 190 eV wavelength: 1.7 a.u.
Slit: a.u.

8 1. electron wavelength varies
double slit: cos(k * R/2) RPA S. Semenov, N. Cherepkov 1. electron wavelength varies circular light 2. Circular light 3. Scattering Multiple Scattering R. Diez Muino

9 double ionization with one slow electron
single ionizaton double ionization with one slow electron double ionization Second e- observer E(e1) = 190 eV E(e2) = 5 eV

10 double ionization with one slow electron
Quantum Classical (interference) No Interference single ionizaton double ionization with one slow electron double ionization Second e- observer E(e1) = 190 eV E(e2) = 5 eV E(e1) = 95 eV E(e2) = 14 eV

11 What makes the Macroworld classical?
~ is small Decoherence by entanglement/ interaction How many particles does it need? What is the transition?

12 What makes the Macroworld classical?
~ is small Decoherence by entanglement/ interaction (r1) (r2) Coulomb Interaction Gravity Collisions Thermal Radiation … Electron-scattering Second electron

13 What makes the Macroworld classical?
~ is small Decoherence by entanglement/ interaction (r1) (r2) Environment Rest of Universe Coulomb Interaction Gravity Collisions Thermal Radiation … Complete Decoherence Fully classical

14 What makes the Macroworld classical?
How many particles does it need? What is the transition? Second electron

15 Angle between electron
E(e1) = 95 eV E(e2) = 15 eV Angle between electron fast electron

16 E(e1) = 95 eV E(e2) = 15 eV  fast e-  between electrons  fast e-  fast e-

17 double ionization decoherence by electron-electron interaction?
E(e1) = 95 eV E(e2) = 15 eV double ionization

18 What happens if one measures recoil on slit?
entangled 2-body wave function What happens if one measures recoil on slit?

19 Momentum transfer to „double slit“
entangled 2-body wave function (kp1 + kp2) Momentum transfer to „double slit“

20 Momentum conservation Momentum conservation
Step 1: Step 2: Electronic part Electronic part Momentum conservation nuclear part Momentum conservation nuclear part

21 Verschränkung EPR Quantenkryptographie

22 Heute: Nichtlokalität über viele km demonstriert Was unterscheidet EPR von klassischer Impulserhaltung? Bsp: Wasserstoffatom: Elektron/Kern VS Mondbahn Reality (if predictibal with 100% certainty its part of reality) Completeness (a complete theory must describe all of reality) Locality -> QM does not allow for all three EPR concluded -> incomplete Today -> non local BUT: Einstein – no problem no information

23 Quantenkryptographie
Ziel: eine Nachricht absolut abhörsicher zu übertragen Trick: Nutze die Unschärferalation, daß jede Messung einen Quantenzustand ändert. A (lice): Sender B (ob): Empfänger E(ve): Eavesdropper (Lauscher)

24 Vorbemerkung 1: Ein “einmaliger” Schlüssel

25 Quantenkryptographie
Ziel: eine Nachricht absolut abhörsicher zu übertragen Trick: Nutze die Unschärferalation, daß jede Messung einen Quantenzustand ändert. Alice: Text : Geheimer Schlüssel: _____________________________________ Gesendete Nachricht: Bob (Empfänger): Empfangene Nachricht: Geheimer Schlüssel: _______________________________________ Entschlüsselt:

26 Vorbemerkung 2: Polarisiertes Licht

27 Zirkulares Licht: Perspektive der Klassischen Physik
elektrischer Feldvektor Rotiert kohärente Überlagerung aus zwei senkrechten linearen Lichtfeldern mit verschobener Phase Quantenmechansiche Beschreibung: Wähle eine beliebige ortonormale vollständige Basis (2 Zustände) a) |→> | ↑> b) |> | > c) |© > |ª >

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32 1984 Charles Bennet (IBM) Gilles Brassard (Uni Montreal)
BB84 Protokoll 1984 Charles Bennet (IBM) Gilles Brassard (Uni Montreal) Proceeding of IEEE Conference on Computers, Systems, and Signal Processing, Bangalore, India S 175 (1984) Alice schickt Photonen mit ausgewählter Polarisation an Bob Bob misst Alice und Bob kommunizieren öffentlich welche Polarisation -> Falls jemand die Photonen “belauscht” wird das bemerkt

33 Schritt 2: Bob wählt zufällig Basis oder b) und Misst ob ein Photon Ankommt Führt Liste ob a) oder b) Schritt 3: Alice und Bob Tauschen öffentlich Ihre Listen über die Basis für jedes Photon Aus Aber nicht die info ob 1 oder 0 Schritt 1: Alice wählt statistisch Alphabet, (Basis) Polarisation 1 a) |→> | ↑> b) |> | > Alice führt Liste Ob a) oder b) Schritt 4: Beide nehmen Nur die submenge Als Schlüssel, bei der sie die gleiche Basis hatten

34 Alice kann so keine Information (von ihr zu bestimmende Bitfolge) an Bob übermitteln
Da sie nicht weiss welches ihrer Photonen ausgewählt wird Einziger Erfolg: beide haben den Gleichen, aber nicht vorherbestimmbaren Schlüssel

35 Abhöhrsicherheit: Lauscher muss wieder ein Photon losschicken um nicht bemerkt zu werden Er muss eine Basis wählen, 50% Richtige Basis, kennt das Photon, kann korrekt klonen 50% Falsche Basis, 25% Richtige Antwort -> 25% Bobs Messung geändert -> Alice und Bob tauschen viele Ergebnisse offen aus und sehen nach

36 Alternative: Schlüsselübermittlung mit verschränkten Photonen Quelle von Verschränkten Photonenpaaren (z.B. gesamt Drehimpuls 0) Messe in 450 Basis 50% 1, 50% 0 Mit der Messung bei Alice wird auch das Ergebnis von Bob festgelegt 1 Gleicher, aber zufälliger Schlüssel NICHT ABHÖRSICHER! Aber EPR

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