Polarisationsnachregelung über lange Glasfaserstrecken für Quantenkryptographie

Abstract

Für ein zukünftiges Quanteninformations-System ist es notwendig, Verschränkung zu erzeugen, zu verteilen und physikalische Eigenschaften einzelner Photonen für die Messung und die Speicherung der Information zu verwenden. Einfache und effiziente Aufbauten für die Erzeugung und Messung von polarisations-kodierten Quantenbits werden heutzutage in vielen Labors eingesetzt. Die Verteilung solcher Quantenbits erfordert jedoch besondere Beachtung: Wird Luft wie bei Freiraum-Systemen als Kanal eingesetzt, so kommt es zu keiner Störung des Polarisationszustandes. Distanzen von mehr als hundert Kilometern wurden bereits erreicht.<br />Im starken Gegensatz zur Luft wird in optischen Glasfasern der Polarisationszustand unitär transformiert und hängt von Zeit und anderen Parametern wie Temperatur und mechanischer Verspannung ab. Die in dieser Diplomarbeit erstmalig demonstrierten Aufbauten wirken diesen Effekten entgegen. Dazu wird klassisches Licht für die Messung der Polarisationsdrift der Faser mit einem Polarimeter verwendet. Der Einsatz für Quantenkryptographie mit polarisations-kodierten Quantenbits benötigt die Regelung auf zwei Stokes-Parameter, um die gesamte Poincaré-Sphäre der möglichen Polarisationszustände richtig herzustellen. Zusätzlich ist es notwendig, dass die Polarisationsnachregelung nicht die Quanten beeinträchtigt.<br />

A future quantum information system will have to generate entanglement, distribute it and use a physical property of the quantum system for measurement or storage. Simple and efficient setups for generation and measurement of polarization-encoded quantum bits are nowadays used in many research centers, but the distribution of such quantum bits needs more attention. If air is used for transmission as in free-space systems, no additional polarization disturbance is observed.<br />Transmission distances of more than one hundret kilometers have been reported.<br />In strong contrast to air, in optical fibers the incident polarization is transformed in a unitary way that depends on time and other parameters like temperature and mechanical stress. The setups mentioned in this diploma thesis counteract those effects. Classical light is used to probe the polarization drift of the fiber and with help of a polarimeter the corresponding state of polarization is measured. Quantum key distribution with polarization-encoded quantum bits requires a control of two Stokes parameters since then the Poincaré sphere with all possible polarization states is stabilized. Furthermore it is necessary that the polarization stabilization procedure does not interfere with the quantum signal.