Quantenverschränkung

Physikalische Grundlagen, Information und Fragen zu Lasern.

Moderator: ekkard

Antworten
Benutzeravatar
alex20q90
Beiträge: 108
Registriert: So 05 Nov, 2006 3:24 pm

Quantenverschränkung

Beitrag von alex20q90 » Di 10 Dez, 2013 10:46 am

Hallo,

irgendwie finde ich im Internet nur die Info _das_ es funktioniert und etwas "sablasak" wie es angeblich funktioniert.
Eine genaue Beschreibung welchen Laser, Optiken etc verwendet werden findet man nirgends und schon garnicht wie der Versuchsaufbau angeordnet ist!

Hat jemand von Euch ein paar Infos?

Ich würde gerne die Physik dahinter besser verstehen und würde mir gerne den "Strahlengang" genauer anschaun.

Grüße
Alex

undineSpektrum
Beiträge: 480
Registriert: Fr 25 Jan, 2013 9:17 pm
Do you already have Laser-Equipment?: Nichts

Re: Quantenverschränkung

Beitrag von undineSpektrum » Fr 27 Dez, 2013 2:27 am

Hallo Alex,

gratuliere, Du hast Dir eines - wie ich finde - der interessantesten Themen der experimentellen Physik ausgesucht - leider ist die Technologie die zum Nachweis dieser Effekte bei Einzelphotonen nicht ganz einfach... eher so schwierig wie interessant. :D
Aber : Lass Dich nicht entmutigen.

Du fragtest nach Infos - ich denke die Seite des "QuantenLab" der Universität Erlangen-Nürnberg hilft Dir viel weiter, dort kannst Du sogar interaktiv "experimentieren" und erfahren wie sich das Experiment mit verschränkten Photonenpaaren dann - wenn es funktioniert - verhalten wird, sowie Strahlengänge / verwendete Optiken / Lichtquellen usw. anschauen. Hier ist der Link zu dieser Seite ( eine solche Seite gibt´s meines Wissens nach im deutschsprachigen Raum nicht noch einmal ... :wink: ):

http://www.didaktik.physik.uni-erlangen.de/quantumlab/

Die Physik hinter den beschriebenen quantenoptischen Experimenten wird da eigentlich auf unterschiedlichen aufbereiteten Ebenen ( Schule / Universität) weitgehend erklärt.

Zur Technik:
Die Schwierigkeit bei dem Nachbau dieser Experimente zu Hause ist meiner Erfahrung nach die relativ empfindliche Meßtechnik zur Registrierung einzelner Photonen - ist sowohl optisch als auch elektronisch eher anspruchsvoller. Aber : Nichts ist - mit entsprechend erforderlichem Aufwand - unmöglich was geltenden Naturgesetzen nicht entgegensteht.
Welche Vorkenntnisse ( insbesondere in der Quantenoptik ) hast Du? - Deinen Beiträgen nach gehörst Du meines Erachtens ja eher zu den fortgeschrittenen / und technisch erfahrenen Personen hier ... :)
Wesentliche Teile eines optischen Aufbaus zum Nachweis der EPR-Verschränkung eines Photonenpaares ist ein im violetten Spektralbereich emittierender Laser / Laserdiode als Lichtquelle, ein nichtlinearer Kristall als parametrischer Konverter ( er erzeugt die Photonenpaare aus dem einfallenden Licht der Laserdiode ) sowie mehrere (mindestens vier) Einzelphotonendetektoren / Fotomultiplier.
Bereits die lichtempfindlichen Elemente zum Nachweis der Photonen bei einer Wellenlänge von etwa 800 nm (IR) sind nicht ganz kostengünstig - bei Perkin-Elmer kostet so eine Avalanche - Fotodiode zur Detektion einzelner Photonen bereits um die 1000 € ...
Wie Du in dem Versuchsaufbau "Verschränkung" siehst sind noch einige Standardoptiken (Polarisationsstrahlteiler und -filter ) und Linsen nötig... eigentlich nichts aufregendes.
Schwierig ist eigentlich nicht der meßtechnnische Nachweis der Verschränkung der Photonen aus Koinzidenzmessungen sondern der Nachweis einzelner Photonen bei der Wellenlänge von 800 nm, die zweifelsfrei den nichtlinearen Kristall verlassen und somit von dem unvermeidbaren Rauschen der Detektoren durch unterschiedliche Effekte unterschieden werden können, die das Signal stören. Ich denke Dir ist das bewußt... :freak:

Konnte ich Dir weiterhelfen? - Wenn Du noch Fragen hast schreib mir einfach eine PN oder ( für alle ) hier... wenn ich kann helfe ich Dir gerne weiter...

Grüße,

Undine

Sirius
Beiträge: 4
Registriert: Fr 27 Dez, 2013 11:09 am
Do you already have Laser-Equipment?: 1x He/Ne 10mW - 630nm, 1x He/Ne 2mW
2x Pilotlaser 50mW, 1x Grün 250mW
2x PLS101-312

Re: Quantenverschränkung

Beitrag von Sirius » Fr 27 Dez, 2013 11:29 am

Ich bin neu hier in diesem Superforum.
Nun hätte ich mal eine ganz bescheiden Frage. Was passiert wenn 2 Laserstrahlen unterschiedlicher
Wellenlängen aufeinandertreffen? Ergibt es am Schnittpunkt einen Farbenmix ähnlich einer TV- Farbmischung
oder "durchlaufen" sich beide Strahlen? Wenn beiden Strahlen aufeinander treffen, werden vom jeweils
anderen Strahl Photonen rausgerissen? Wenn ja, wie kann man sie messen?
Danke im voraus schon für eure Antworten.
Viele Grüße
Sirius

Benutzeravatar
ekkard
Beiträge: 1710
Registriert: Mi 21 Feb, 2001 12:00 pm
Do you already have Laser-Equipment?: 1 Kopf
Wohnort: Overath,Germany
Kontaktdaten:

Re: Quantenverschränkung

Beitrag von ekkard » Fr 27 Dez, 2013 5:31 pm

@Sirius
Deine Frage gehört nicht in das Thema "Quantenverschränkung". Wie du schon vermutest: Elektromagnetische Wellen überlagern sich im freien Raum, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen (Superposition) - jedenfalls bei Quanten-Energien, die nicht zwischenzeitlich Teilchen bilden (hochenergetische Gammastrahlen).
Mit freundlichen Grüßen
Ekkard

undineSpektrum
Beiträge: 480
Registriert: Fr 25 Jan, 2013 9:17 pm
Do you already have Laser-Equipment?: Nichts

Re: Quantenverschränkung

Beitrag von undineSpektrum » Mo 30 Dez, 2013 1:29 am

Hallo Sirius,

wie ekkard schon schrieb - mit der gefragten quantenoptischen Problematik verschränkter Photonen hat Deine Frage zunächst nichts oder nur sehr randläufig zu tun...
Was Du wissen möchtest gehört eher in die Rubrik "Farbenlehre" oder "Interferenz" ... :)

Zu Deiner Frage:
"Was passiert wenn 2 Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen aufeinandertreffen? Ergibt es am Schnittpunkt einen Farbenmix ähnlich einer TV- Farbmischung?"

Laserstrahlung verhält sich grundsätzlich physikalisch auch so wie jedes andere Licht - und da gelten auch die Regeln der additiven Farbmischung. Werden z.B. der Spot eines rot strahlenden He-Ne-Lasers mit 632,8 nm. Wellenlänge mit dem Spot eines anderen, grün bei 543 nm. Wellenlänge strahlenden He-Ne-Lasers überlagert, so entsteht an der Stelle wo sich beide Lichtbündel überschneiden / durchkreuzen gelblich erscheinendes Licht.

Siehe dazu auch "additive Farbmischung"...

Das bedeutet aber nicht, dass dabei Licht einer neuen Wellenlänge entsteht, die Lichtwellen der Laser durchdringen sich einfach, d.h. die Feldstärken der Lichtwellen addieren sich. Der Physiker spricht dabei von "linearer Superposition"... das bedeutet einfach "Überlagerung".
Das dabei dem Betrachter in dem Überschneidungsbereich eine neue Lichtfarbe - hier: gelblich erscheinendes Licht - erscheint ist ein Effekt der Farbwahrnehmung, der bei jeder Lichtquelle (also nicht nur Lasern) auftritt. Warum genau das passiert ist bis heute nicht hinreichend geklärt...
Eine interessante Diskussion zur Farbmischung und Farbwahrnehmung findet sich in diesem Forum unter folgendem Thema:

"Unterschied Farbmischung und reine Farbe" ( Frage von kilovolt » 28. Mär 2012, 05:34 im Unterforum "Optik" )

Deine Frage ob die Lichtstrahlen Photonen austauschen ergibt sich aus der obigen Antwort : Nein, und es ist deshalb auch nicht nachweisbar.
Die Photonendichten werden durch die Durchkreuzung nicht beeinflußt, jeder Lichtstrahl breitet sich nach der Durchkreuzung mit der Photonendichte weiter aus, die auch ohne den anderen Lichtstrahl vorhanden ist. Das ist eben das Superpositionsprinzip.
Im Durchkreuzungsbereich kann es zu "Interferenzen" beider Lichtwellen kommen, die aber nur auf den Durchkreuzungsbereich beschränkt sind. Die Interferenzen sind bei zwei Laserstrahlen unterschiedlicher Frequenz aus unterschiedlichen Quellen schnell Orts- und zeitveränderlich und somit meßtechnisch nicht nachzuweisen.

Anders ist das wenn sich die Laserstrahlen in einem Material, z.B. einem Kristall bei großer Intensität überlagern, das fällt dann in die "nichtlineare Optik", wo das lineare Superpositionsprinzip nicht mehr gilt.

Mit der hier diskutierten "Quantenverschränkung" hat die Durchkreuzungs zweier Lichtstrahlen im freien Raum nichts zu tun, da zwei unterschiedliche Laser so keine gemeinsamen Photonenpaare erzeugen können, sondern sehr viele Photonen aus jeweils beiden Lasern zeitlich vollkommen unzusammenhängend / zufällig erzeugt und ausgesandt werden. Koinzidenzen sind bei diesen im Alltag genutzten Photonendichten und unter der Bedingung zweier, unabhängiger Laser rein zufallsbedingt.
Viel eher ist zur Beobachtung einer Quantenverschränkung - von der Meßtechnik abgesehen - ein einziger Laser erforderlich, der in einem transparenten, kristallinen Material die Erzeugung von ( sehr wenigen ) und physikalisch genau gleichen Photonenpaaren aus zwei gleichzeitig ablaufenden Übergängen auslöst, die sich allerdings in verschiedene Richtungen ausbreiten können - "Einzelphotonenquelle".

Alles weitere zur Quantenverschränkung / Quantenoptik steht ja auf der oben zitierten Internetseite... damit ist es eigentlich jedem/jeder klar... :wink:

Grüße,

Undine

Benutzeravatar
alex20q90
Beiträge: 108
Registriert: So 05 Nov, 2006 3:24 pm

Re: Quantenverschränkung

Beitrag von alex20q90 » Di 25 Feb, 2014 8:03 pm

Hallo Leute,

erstmal sorry für dieses lange "nichtmelden"! Aber die Arbeit ;-)

Ich hab mich hier in meiner Gegend etwas umgehört, da dieser Bereich eigendlich keiner macht. Eventuell hätte ich einer von ner uni, der dieses Experiment machen könnte, weil die Labormaterialien vorhanden sind.

Das Problem: UV-Laser. Ich dachte es geht mit nem roten oder Grünen. Offenbar reicht dafür aber nichtmal ein 405nm BluRay aus. Aber ich bin da weiter drann und habe auch bei unserem Vereinheim Interesse geweckt (Astronomen) :-)

Grüße
Alex

EDIT: @undineSpektrum:
Die WebSite habe ich auch gefunden. Da kam auch das erste kleine "aha" her! :-)

undineSpektrum
Beiträge: 480
Registriert: Fr 25 Jan, 2013 9:17 pm
Do you already have Laser-Equipment?: Nichts

Re: Quantenverschränkung

Beitrag von undineSpektrum » Di 25 Feb, 2014 9:30 pm

Hallo Alex,

Du schreibst:
Zitat anfang:
"Eventuell hätte ich einer von ner uni, der dieses Experiment machen könnte, weil die Labormaterialien vorhanden sind"
Zitat ende ...

Na Supii... :) Da bist Du ja schon mal einen Schritt weiter. Ich denke das inzwischen jedes vernünftige Institut für Physik / Optik / Optoelektronik über die auf der von mir zitierten Website abgebildeten Materialien verfügt ...

Aber Du schreibst noch :
Zitat anfang:
Das Problem: UV-Laser. Ich dachte es geht mit nem roten oder Grünen. Offenbar reicht dafür aber nichtmal ein 405nm BluRay aus.
Zitat ende.
Ich verweise auf die Seite der Universität Erlangen-Nürnberg... grundsätzlich stimmt es : Laser mit kleiner Wellenlänge sind in der Tat schwer zu beschaffen, zumal ja die Schwellpumprate mit der dritten Potenz der Frequenz ansteigt... will heißen ein Laser benötigt mindestens die achtfache Pumpleistung, wenn er bei 400 nm anstatt bei 800 nm Lasern soll... dabei sind alle anderen Effekte, die Verluste erzeugen nicht eingerechnet ... ist der Grund warum es keine Röntgenlaser gibt ...
Falsch ist allerdings, daß der violette Laser bei 405 nm nicht zur Anregung eines parametrischen Konverters ausreicht... das geht schon. Das Problem ist - wie ich schon schrieb - die Meßtechnik zum Nachweis einzelner Photonen im roten / ultraroten Bereich um z.b. 800 bis 810 nm ...
Die Geräte sind entweder Fotomultiplier oder besondere Avalanche-PIN-Dioden ... die kosten ihr Geld in diesem Bereich... :wink:
Dann mußt Du beachten, daß der Photonenstrom deiner Quelle so "präpariert" ist, dass die nachgeweisenen Einzelereignisse wirklich von den Photonen Deiner Quelle stammen... und diese wirklich als "Einzelphotonenquelle" arbeitet... weisst Du schon wie Du das realisieren willst ... ?
Deshalb Deine ( richtige ! ) Feststellung :
Zitat anfang:
"...da dieser Bereich eigendlich keiner macht..."
Zitat ende...
Die Quantenverschränkung ist an den Nachweis einzelnen Lichtquanten einer Quelle gebunden - und das ist nicht gerade einfach umzusetzen.
Allerdings gibt´s da inzwischen ein paar Tricks mit denen Du viel Geld und Aufwand ( im Verhältnis zu vor 15 oder 20 Jahren früher ) einsparen kannst...
Die parametrische Konversion ( die die ultraroten "Photonenpärchen" erzeugt) ist ja ein Effekt der nichtlinearen Optik, ebenso wie die optische Frequenzverdoppelung ... Diese Effekte können inzwischen auch mit Lichtquellen erzeugt werden die keine Laser sind - ich spreche von Hochleistungs-Leuchtdioden .... diese Leuchtmittel können mehr als bisher gedacht... :wink:

Eine High-Power-LED ist beispielsweise über den Hersteller Roschwege beschaffbar : http://www.roschwege.de/?content=home
Die sind auch auf solche Anwendungen spezialisiert - für wissenschaftliche Zwecke...

Mir ist es inzwischen gelungen bei einer "rot" strahlenden LED ( Wellenlänge ca. 650 nm ) Frequenzverdoppelung an verschiedenen Kristallen nach der Methode von Franken zu erzeugen... :freak: Es sollte also auch mit einer UV-LED möglich sein, parametrische Konversion zu erzeugen...

Das mal so am Rande...

Grüße,

Undine

thorsten2
Beiträge: 39
Registriert: So 20 Apr, 2008 9:51 pm
Do you already have Laser-Equipment?: Diode based: 808, 650, 632, 520, 515, 445, 405
DPSS based: 1319, 660 (self made), 532
HeNe: 632, 543
Argon: Lexel 95 argon laser, multiline
Wohnort: Koblenz
Kontaktdaten:

Re: Quantenverschränkung

Beitrag von thorsten2 » Do 09 Okt, 2014 3:20 pm

Hi,

zum Thema Quantenverschränkung:

bei einem Experiment an einer amerikanischen Uni (Stichwort "Quantum imaging with undetected photons"), von dem ich neulich gelesen habe, werden KTP-Kristalle verwendet, um 532 nm aufzuspalten in zwei quantenverschränkte Strahlen (810 nm und 1550 nm). Die Forscher benutzen ppKTP-Kristalle dafür (pp = periodically poled).

Frage: Sind die "normalen" KTP-Kristalle zur Frequenzverdopplung für 532 nm DPSS-Laser auch "periodically poled"? Sprich wären die geeignet für die Aufspaltung? Wenn nein, weiß jemand, wo man geeignete ppKTP-Kristalle herbekommt?

Viele Grüße,
Thorsten

Benutzeravatar
dyak
Beiträge: 422
Registriert: Do 14 Feb, 2008 2:18 pm
Do you already have Laser-Equipment?: 2 x Sats(150mW Grün, 400mW Rot 658nm, 200mw Blau 445nm) + Hauptprojektor(400mW Grün, 350mW Rot 637nm, 500mW Blau 445nm) + Eigenbau DAC + Eigenbau Treiber
Wohnort: Garching b. München

Re: Quantenverschränkung

Beitrag von dyak » Sa 11 Okt, 2014 9:04 pm

Schau mal hier http://www.covesion.com/
Sind zwar keine KTP aber PPLN dürften genauso funktionieren denke ich
Wer Rechtschreibfehler findet, darf sie behalten!

thorsten2
Beiträge: 39
Registriert: So 20 Apr, 2008 9:51 pm
Do you already have Laser-Equipment?: Diode based: 808, 650, 632, 520, 515, 445, 405
DPSS based: 1319, 660 (self made), 532
HeNe: 632, 543
Argon: Lexel 95 argon laser, multiline
Wohnort: Koblenz
Kontaktdaten:

Re: Quantenverschränkung

Beitrag von thorsten2 » Di 14 Okt, 2014 7:13 pm

Hi,

danke für den Hinweis zu dem Hersteller.

Was ich schon herausgefunden habe: Die Forscher an der amerikanischen Uni haben einen ppKTP mit einer Periode von 9,675 um verwendet. Damit haben sie den Pumpstrahl von 532 nm aufgespalten in 810 und 1550 nm. Aus den Webseiten der Hersteller konnte ich zumindest ersehen, dass das Thema alles andere als trivial ist. Die KTP-Kristalle können auf verschiedenste Arten gepolt werden, z.B. einfach periodisch über den gesamten Kristall (das ist scheinbar für die Frequenzverdopplung ideal) oder doppelt, eine Seite mit einer Periode, die andere Seite mit einer anderen.
Aus keiner Quelle wird man schlau, a) ob für OPO überhaupt eine Polung erforderlich ist und b) welche Art Polung benötigt wird. Zumindest die Periode von 9,675 um ist bekannt, aber die scheint wiederrum so ungewöhnlich, dass die kein Hersteller führt, maximal als Spezialanfertigung...

Das Experiment, das mich interessiert ist übrigens die Arbeit zum Thema "Quantum Imaging with Undetected Photons" von Gabriela B. Lemos, Victoria Borish, Garrett D. Cole, Sven Ramelow, Radek Lapkiewicz und Anton Zeilinger. Wer bei Google nach dem Thema sucht, wird recht schnell fündig werden. Netterweise konnte man auch das PDF zur Arbeit herunterladen.

Über den Aufbau habe ich mit einem Arbeitskollegen diskutiert und wir kamen auf die Frage, warum der Signalstrahl (der durch das abzubildende Objekt geführt wurde) nochmal durch den nichtlinearen Kristall NL2 gehen muss. Würde es nicht reichen, die beiden Signalstrahlen über einen Polwürfel zu vereinen, analog zu den Idlerstrahlen in BS2? Denn so wie das da aufgebaut ist, könnte auch der Verdacht aufkommen, der Signalstrahl würde den OPO-Prozess in NL2 derartig beeinflussen, dass die Information, die der Strahl beim Durchschreiten des abzubildenden Objekts aufgenommen hat, auf das aus NL2 resultierende Strahlenpaar überträgt, z.B. weil er die Entstehung der Quantenpaare stimuliert.
Einen wirklichen Beweis, dass das nicht passiert, habe ich in der Arbeit jedenfalls nicht gefunden, auch wenn die Forscher in der Arbeit kurz auf das Thema eingehen....

Wirklich interessant ist das ganze aber in jedem Fall!

Viele Grüße,
Thorsten

Benutzeravatar
dyak
Beiträge: 422
Registriert: Do 14 Feb, 2008 2:18 pm
Do you already have Laser-Equipment?: 2 x Sats(150mW Grün, 400mW Rot 658nm, 200mw Blau 445nm) + Hauptprojektor(400mW Grün, 350mW Rot 637nm, 500mW Blau 445nm) + Eigenbau DAC + Eigenbau Treiber
Wohnort: Garching b. München

Re: Quantenverschränkung

Beitrag von dyak » Mi 15 Okt, 2014 5:46 pm

Hi

http://www.thorlabs.com/catalogpages/693.pdf

Ich denke das die Länge von den einzelnen Segment von deinen Wellenlänge abhängt die du haben willst. Im Endeffekt willst du ja am Ende des Kristalls eine konstruktive Interferenz für beide Wellenlängen haben. Deswege sind die Abstände verschieden in dem ppKTP.
Wer Rechtschreibfehler findet, darf sie behalten!

Antworten

Zurück zu „Laserphysik“

Wer ist online?

Mitglieder in diesem Forum: 0 Mitglieder und 1 Gast