Bei der Quantenkommunikation wird die Übertragung einzelner Photonen verwendet. Wie werden einzelne Photonen eingefangen?

Die Quantenkommunikation boomt in China, insbesondere ein Wissenschaftler namens Pan Jianwei, der seinem Team einen Durchbruch nach dem anderen beschert hat und weltweit an der Spitze steht. Einige Leute jubelten, andere widersetzten sich und machten sich lustig.

Die Gegner dieser Idee argumentieren vor allem, dass Quantenkommunikation Unsinn sei, lediglich ein Konzept und unmöglich umzusetzen. Die größten Zweifel bestehen hinsichtlich der Emission und des Empfangs einzelner Photonen. Man geht davon aus, dass Photonen die kleinsten Dinge der Welt sind, aber niemand weiß, wie klein sie sind. Wie ist es dem Menschen möglich, ein Photon einzufangen und auszusenden?

Tatsächlich beruht die Quantenkommunikation jedoch auf der Übertragung einzelner Photonen, und nur so lässt sich eine unzerbrechliche Vertraulichkeit erreichen. Doch dieses einzelne Photon ist nicht so, wie es sich manche Menschen auf der Grundlage ihres gesunden Menschenverstands vorstellen, nämlich dass man es nicht wie Bohnen einzeln einfangen und dann durch eine Art Schleuder schießen kann.

Die drei Kerntechnologien der Quantenkommunikation sind: Einzelphotonenquellentechnologie, Quantencodierungs- und -übertragungstechnologie und Photonenerkennungstechnologie. Das Wichtigste ist, ein einzelnes Photon „einzufangen“ und auszusenden. Wie wird dies erreicht? Lass es uns teilen.

Lassen Sie uns zunächst darüber sprechen, was Photonen sind.

Photon ist die Abkürzung für Lichtquant. Es ist das Medium, das elektromagnetische Wechselwirkungen überträgt. Es ist ein Elementarteilchen mit den Eigenschaften eines Eichbosons. Das Konzept des Lichtquanten wurde erstmals 1905 von Einstein vorgeschlagen und 1926 vom amerikanischen Physikochemiker Gilbert Lewis offiziell benannt.

Im Jahr 1901 entdeckte der deutsche Physiker Planck, dass Materie Energie diskontinuierlich abgibt und aufnimmt. Er stellte die Hypothese auf, dass Energie von Energiequanten stückweise abgegeben wird, und berechnete die minimale Energiekonstante, die als Planck-Konstante bezeichnet wird. Dies ist die Pionierarbeit der Quantenmechanik.

Inspiriert von Plancks Quantentheorie veröffentlichte Einstein 1905 eine Abhandlung mit dem Titel „Ein vorläufiger Standpunkt zur Erzeugung und Umwandlung von Licht“. Er glaubte, dass Licht ebenso wie atomare Elektronen Teilcheneigenschaften besitzt. Er schlug die „Lichtquantentheorie“ vor, erklärte den photoelektrischen Effekt perfekt und legte das Gesetz des photoelektrischen Effekts fest, für das er 1921 den Nobelpreis für Physik erhielt.

Photonen haben eine allen Elementarteilchen gemeinsame Eigenschaft, nämlich den Welle-Teilchen-Dualismus. Sie breiten sich wellenförmig aus und werden diskontinuierlich abgestrahlt. Sobald ein Photon geboren ist, bewegt es sich mit einer Vakuumgeschwindigkeit von etwa 300.000 Kilometern pro Sekunde und hält nie an, es hat also keine Ruhemasse, aber einen Impuls. Die Energie jedes Photons beträgt: E=hv=hc/λ, d. h. die Energie E ist gleich der Planck-Konstante multipliziert mit der Frequenz.

Die Planck-Konstante beträgt ungefähr 6,626*10^-34J/s (Joule/Sekunde); Der Impuls jedes Photons beträgt: p=E/c=h/λ. In diesen Formeln steht λ für die Wellenlänge, c für die Lichtgeschwindigkeit, v für die Frequenz, E für die Energie und p für den Impuls.

Daraus können wir erkennen, dass die Energien verschiedener Photonen unterschiedlich sind. Je kürzer die Wellenlänge und je höher die Frequenz des Photons, desto stärker die Energie und umgekehrt. Photonen sind die zahlreichsten Einheiten im Universum. Ob Tag oder Nacht, wir sind von Photonen umgeben. Wenn wir beiläufig in die Hände klatschen, treffen unzählige Photonen auf unsere Handflächen und Handrücken.

Wir Menschen erleben die Welt ausschließlich durch elektromagnetische Wellen, die sogenannte elektromagnetische Wechselwirkungskraft. Photonen sind das Medium zur Übertragung elektromagnetischer Wellen, daher kann man auch sagen, dass elektromagnetische Wellen der allgemeine Begriff für Lichtwellen sind. Elektromagnetische Wellen werden in Radiowellen, Infrarotstrahlen, sichtbares Licht, Ultraviolettstrahlen, Röntgenstrahlen und Gammastrahlen von langen bis kurzen Wellenlängen unterteilt.

Von diesen „Lichtwellen“ kann das menschliche Auge nur den sichtbaren Lichtanteil sehen, und „Lichtwellen“ in anderen Bändern und Frequenzen können nur von Instrumenten erkannt werden. Die Wellenlänge elektromagnetischer Wellen reicht von mehreren Kilometern bis zu 10^-30 Metern (weniger als ein Milliardstel Meter). Radiowellen (darunter Langwellen, Mittelwellen, Kurzwellen und Mikrowellen) sind am längsten, haben die niedrigste Frequenz und die schwächste Energie. Gammastrahlen haben die kürzeste Wellenlänge, die höchste Frequenz und die stärkste Energie.

Die Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen ist die Lichtgeschwindigkeit, daher folgt die Beziehung zwischen Wellenlänge und Frequenz der Formel: λ=c/v oder v=c/λ.

Wie man ein Photon "einfängt"

Photonen sind extrem klein und es gibt viele davon. Eine 10-Watt-Glühbirne gibt etwa 10 J/s Energie ab. Wenn diese 10 J Energie vollständig im sichtbaren Lichtband liegen, beträgt ihre Wellenlänge ungefähr zwischen 380 und 760 nm. Wir gehen von einem Durchschnittswert von 570 nm aus. Gemäß der vorherigen Formel können wir berechnen, dass die Energie jedes Photons etwa 3,5*10^-19J beträgt. Eine 10J-Glühbirne emittiert etwa 2,86*10^19 Photonen pro Sekunde, das sind 28,6 Billiarden Photonen.

Licht selbst transportiert Energie, daher ist optische Kommunikation seit langem eine gängige Methode. Der größte Unterschied zwischen der sogenannten Quantenkommunikation und der konventionellen Kommunikation besteht jedoch in der Sicherheit. Dabei wird die Übertragung einzelner Photonen verwendet, und die ideale Einzelphotonenquelle enthält in jedem Impuls nur ein Photon.

Wie bereits erwähnt, enthält jeder Lichtstrahl unzählige Photonen. Wie gelingt es Wissenschaftlern, so viele Photonen in einzelne aufzuteilen und zu verteilen? Dazu sind Maschinen zur Erzeugung von Einzelphotonenquellen erforderlich. Mit moderner Technologie ist es nicht schwierig, eine Einzelphotonenquelle herzustellen. Schwierig ist jedoch die Herstellung einer qualitativ hochwertigen und hocheffizienten Einzelphotonenquelle.

Theoretisch kann durch kontinuierliche Dämpfung eines Lichtimpulses einer bestimmten Energie eine sogenannte Einzelphotonenquelle erhalten werden. Beispielsweise ist bei einem pulsierenden Laser die Energie jedes Impulses konstant. Sobald wir die Photonenenergie eines bestimmten Bandes oder einer bestimmten Frequenz kennen, können wir die Anzahl der von jedem Impuls emittierten Photonen berechnen. Indem wir den Lichtstrahl mithilfe einer Dämpfungsplatte ausreichend oft dämpfen, können wir die für jeden Impuls erforderliche Anzahl an Photonen erreichen.

Beispielsweise sendet ein bestimmter Pulslasersender ursprünglich 1 Million Photonen pro Puls aus. Wenn dieser Lichtstrahl 10 Millionen Mal abgeschwächt wird, beträgt die durchschnittliche Anzahl der von jedem Impuls emittierten Photonen nur 0,1. Mit anderen Worten: Einer von zehn Impulsen kann 1 Photon enthalten, die anderen neun Impulse enthalten jedoch kein Photon. Auf diese Weise wird der Pulslaser zu einer Einzelphotonenquelle.

Theoretisch kann diese Methode die Anzahl der Photonen weiter verringern, beispielsweise um das 100-Millionen- oder sogar das 1-Milliarden-Fache. Auf diese Weise kann das Phänomen von 2 Photonen einmal in 100 oder sogar 1.000 Impulsen auftreten, was die Erfassungsrate einzelner Photonen erheblich zu verbessern scheint.

Derzeit verwenden die meisten Einzelphotonenquellen in Laboren diese Methode. Allerdings folgt die Anzahl der Photonen in dieser Einzelphotonenquelle einer Poisson-Verteilung, und streng genommen ist es schwierig, hocheffiziente Einzelphotonenpulse zu erzielen. Da dieser Zufallsprozess nicht dem menschlichen Willen unterliegt, enthält ein Puls manchmal zwei Photonen, was die Kontrollierbarkeit und Sicherheit der Quantenkommunikation verringert.

Je größer das Dämpfungsvielfache ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, ein einzelnes Photon zu erhalten, aber desto mehr leere Impulse ohne Photonen werden erzeugt und die Effizienz wird stark reduziert. Daher läuft diese narrensichere Verbesserung der Genauigkeit der Effizienz zuwider.

Daher muss eine perfekte Einzelphotonenquelle gleichzeitig deterministische Polarisation, hohe Reinheit, hohe Homogenität und hohe Effizienz aufweisen. Dies sind vier nahezu widersprüchliche und strenge Bedingungen. Die technische Schwierigkeit besteht darin, diesen Widerspruch zu lösen.

Infolgedessen haben Wissenschaftler viele Methoden zur Gewinnung von Einzelphotonenquellen entwickelt, unter denen die Quantenpunkt-Einzelphotonenquelle derzeit die fortschrittlichste Methode darstellt. Mit dieser Methode können Quantenpunkte stabil einen einzelnen Photonenstrom emittieren. Im Vergleich zu anderen Einzelphotonenquellen haben Quantenpunkt-Einzelphotonenquellen eine höhere Oszillatorstärke, eine schmalere spektrale Linienbreite und kein Photofading.

Diese Einzelphotonenquellentechnologie wurde 2001 von der Stanford University in den USA entwickelt und reduziert die Möglichkeit der Erzeugung eines zweiten Photons erheblich. Im Jahr 2002 arbeiteten Toshiba und die Universität Cambridge zusammen, um mithilfe von LEDs mit Quantenpunktstruktur eine elektrisch injizierte Einzelphotonenemission zu erreichen. Im Jahr 2007 gelang dem Halbleiterinstitut der Chinesischen Akademie der Wissenschaften die Emission einzelner Quantenphotonen.

Derzeit ist mein Land weltweit führend bei der Einzelphotonenemission von Quantenpunkten. Das Team des USTC unter der Leitung von Akademiemitglied Pan Jianwei war ein Pionier der Punktpuls-Resonanzanregungstechnologie, die den Quantenpunkt-Exzitonen-Kohärenzeffekt grundlegend eliminierte. Mit dieser Technologie lassen sich im Vergleich zur bisherigen Anregungsleistung von einem Zehntausendstel mit Sicherheit hochwertige Einzelphotonen mit einer Reinheit von 99,5 % erzeugen. Es handelt sich um ein international anerkanntes Werkzeug zur Herstellung hochwertiger Einzelphotonen.

Aus Gründen der allgemeinen Populärwissenschaft werde ich hier nicht zu viele komplizierte Fachbegriffe auflisten. Interessierte Freunde können auf Baidu nach relevanten Informationen suchen.

Neben der Herstellung einzelner Photonen verfügt die Quantenkommunikation auch über viele komplexe Technologien

Zu diesen Technologien gehören Probleme bei der Kodierung und Übertragung einzelner Photonen, bei der Erkennung und beim Empfang von Photonen usw.

Bei der Einzelphotonenkodierung geht es beispielsweise darum, ob Polarisation oder Phase verwendet werden soll, ob ein Polarisator oder eine Halbwellenplatte verwendet werden soll, verschiedene Interferometer, wie mit den durch den Kodierungsprozess verursachten Verlusten umgegangen werden soll usw.

Erfolgt die Fernübertragung über Glasfaser oder drahtlos über die Luft? Wie weit kann es übertragen werden? Welche Methode wird für die Weiterleitung verwendet? Wie wird das Signal aufrechterhalten oder verstärkt? Welche Methode wird verwendet, um eine Quantenschlüsselverteilung und Quantenteleportation zu erreichen? Wie lassen sich die Probleme der Sicherheit und Signaldämpfung während der Übertragung lösen?

Am Empfangsterminal muss ein genaues und effizientes Gerät zur Einzelphotonenerkennung und zum Empfang vorhanden sein, das heißt, es muss empfindlich reagieren können, wenn ein Photon empfangen wird. Dies scheint nicht sehr schwierig zu sein, da das menschliche Auge bereits auf Licht mit 10 Photonen reagieren kann, während Froschaugen angeblich ein einzelnes Photon sehen können. Schwieriger ist, dass der Detektor in der Lage sein muss, auf den entsprechenden Wellenlängenbereich zu reagieren und effizient zu reagieren, um eine effiziente Kommunikation in einer Umgebung mit hohem Rauschen zu erreichen.

China hat in diesen Bereichen Durchbrüche erzielt. Beispielsweise arbeitete das Team unter der Leitung von Akademiker Guo Guangcan von der University of Science and Technology of China mit Professor Markus Huber aus Österreich zusammen, um hochdimensionale Quantenkommunikation in einer Umgebung mit hohem Rauschen erfolgreich zu realisieren. Das von Pan Jianwei geleitete Wissenschaftlerteam baute das weltweit erste Satelliten-Boden-Quantenkommunikationsnetzwerk und realisierte eine Satelliten-Boden-Quantenschlüsselverteilung über 4.600 Kilometer.

Im Jahr 2019 gelang Forschern der Universität Padua in Italien die Übertragung einzelner Photonen über eine Distanz von mehr als 20.000 Kilometern und stellte damit einen neuen Weltrekord auf. Dies bestätigte auch die Machbarkeit der Implementierung von Mikroquantenkommunikation auf globaler Ebene.

Aus der obigen Einführung lässt sich erkennen, dass die Quantenkommunikation schon lange nicht mehr nur im Labor, sondern auch in der Gesellschaft Anwendung findet. Wenn Sie immer noch darauf bestehen, dass Quantenkommunikation eine Fälschung ist, dann ist das selektive Blindheit und eine Lüge mit offenen Augen.

Ich möchte hier hinzufügen, dass die Quantenkommunikation auf dem 1984 von amerikanischen Wissenschaftlern entwickelten BB84-Protokoll, dem später verbesserten BBM92 und dem 2012 entwickelten MDI-QKD-Protokoll basiert. Es handelt sich um ein international verwendetes Protokoll zur Quantenschlüsselverteilung. Sein Hauptzweck besteht darin, das Unschärfeprinzip der Quantenmechanik und die Quanten-Nichtklonierung auszunutzen, den Polarisationszustand von Photonen als Informationsträger zur Übertragung von Schlüsseln zu verwenden und die Distanz sicherer Kommunikation zu vergrößern.

Daher hat die Quantenkommunikation nichts mit den seltsamen Effekten der Quantenverschränkung bei der Übertragung über große Entfernungen und mit sehr geringem Licht zu tun. Würde jemand diesen Aspekt bewusst fördern, in die Irre führen und die Quantenkommunikation mystifizieren, stünde er im Verdacht der Pseudowissenschaft. Was denkst du darüber? Willkommen zur Diskussion, danke fürs Lesen.

Das Urheberrecht von Space-Time Communication liegt beim Original. Urheberrechtsverletzungen und Plagiate sind unethisches Verhalten. Bitte haben Sie Verständnis und kooperieren Sie.