2026-09-18T17:08:21Zhttps://publikationen.uni-tuebingen.de/oai/requestoai:publikationen.uni-tuebingen.de:10900/1186712021-09-08T01:07:53Zcom_10900_42126col_10900_42133
Publikationssystem UB Tuebingen
advisor
Stibor, Alexander (Dr.)
author
Röpke, Robin
2021-09-07T09:51:58Z
2021-09-07
http://hdl.handle.net/10900/118671
Sichere Datenübertragung ist essentiell in unserer heutigen Zeit. Informationsaus-
tausch bestimmt unser wirtschaftliches und auch unser persönliches Leben. Noch
werden unsere Daten mit mathematischen Verschlüsselungsmethoden geschützt.
Mit der stetigen Weiterentwicklung der Quantencomputer ist es jedoch nur noch
eine Frage der Zeit bis jede Verschlüsselung dekodiert werden kann. Abhilfe schafft
die Quantenkryptografie, in der die Verschlüsselung nicht auf Algorithmen sondern
auf quantenmechanischen Grundgesetzen basiert. In den letzten Jahren hat sich
die Quanten-Kommunikation durch einzelne bzw. verschränkte Photonen, stetig
weiterentwickelt. In dieser Arbeit werden die Grundlagen geschaffen, dieses Gebiet
auf Elektronen zu erweitern. Ein Ziel dieser Arbeit ist, einen supraleitenden Felde-
mitter zu entwickeln. Dazu wurde in Tübingen die Technik etabliert, reproduzierbar
Spitzen aus dem Supraleiter Niob herstellen zu können. Die Emission solcher Spit-
zen wurde bei Raumtemperatur auf ihre Kohärenz untersucht und es wurde eine
Halterung gebaut, mit der die Spitzen unterhalb der Sprungtemperatur gekühlt
werden können. Im Rahmen eines Aufenthaltes am Lawrence Berkeley National Lab,
USA, wurde ein Setup realisiert, womit die Emission einer supraleitenden Spitze
untersucht werden kann. Dabei liegt das Augenmerk auf der Energiebreite und der
Teilchenstatistik der Emission. Durch Korrelationsmessungen soll festgestellt werden,
ob die supraleitende Spitze verschränkte Elektronenpaare emittiert. Das andere Ziel
der Arbeit ist, eine neuartige, sichere Quantenmethode zur Datenübertragung zu
entwickeln, durch Modulation einer Materiewelle in einem Biprisma-Interferometer.
Der Sender ist dabei ein Wienfilter, der den Kontrast des Interferograms moduliert.
Die Phasenlage oder die Position des Streifenmusters ändert sich dabei nicht. Der
Empfänger ist ein Delay-Line-Detektor, der dynamisch den Kontrast misst. Für
dieses Ziel wurde die Elektronik eines bestehenden Experiments erneuert und eine
computergesteuerte Sendeeinheit gebaut. Eine Nachricht wurde erfolgreich übertra-
gen und der Aufbau hinsichtlich Geschwindigkeit und Stabilität untersucht. Um die
Sicherheit des Übertragungsschemas zu erhöhen, wurde eine Methode entwickelt
mit Ähnlichkeiten zum BB84-Protokoll für Photonen. Der Sicherheitsaspekt beruht
hierbei auf dem Welle-Teilchen-Dualismus, der Symmetrie der Wienkurve und der
Dekohärenz. Abschließend wird die Sicherheit bei verschiedenen Abhörangriffen
diskutiert und auch experimentell gezeigt, wie ein Angriff mit einem klassischen
Instrument die Übertragung aufgrund von Dekohärenz verhindert.
Secure data transmission is essential in the present time. The exchange of information
determines not only our economical but also our personal lives. The secure data
transfer is based on mathematical encryption but with the continuous development
in quantum computing it is a question of time until every encryption can be
decoded. Quantum cryptography can remedy this situation where security is based
on fundamental quantum principles. In the last few years, quantum communication
based on single and entangled photon transfer has improved significantly. The
present work establishes fundamental research to extend these methods to electron
matterwaves. One goal in this thesis was to develop a superconducting nanotip field
emitter. Thereby, a technique was established in Tübingen to reproducibly prepare
nanotips from the superconducting material niobium. The coherent emission of the
field emitter at room temperature was studied and a tip holder for cooling the tip
to the transition temperature was build. As part of a research trip to the Lawrence
Berkeley National Lab, USA, a setup to investigate the superconducting properties
of a niobium tip was established. The focus was set on the energy width and the
emission statistics. The idea is to determine with electron correlation measurements
if a superconducting tip emits entangled electrons, in the form of Cooper-Pairs.
The other goal in this thesis was to develop a new secure quantum method for data
transmission by modulating a matterwave in a biprism interferometer. Thereby,
the message was binary encoded and transmitted by a Wien filter. It represents
the sender and modulates the contrast of the interferogram without changing the
phase or position of the fringes. The receiver is a delay-line-detector for a dynamical
contrast analysis. To realize such an instrument, the electrical components of an
existing setup were modified and a computer controlled interface was created. It
includes the sending and receiving electronics and software. With the established
setup it was possible to successfully send a message and the method was examined
for transmission speed and stability. To improve the security of the technique, a
transmission protocol, similar to the BB84-method for photons was developed.
The security aspect is based on the wave-particle-duality, the symmetry of the
Wien-curve and decoherence. Furthermore, the security aspect connected to various
eavesdropper attacks is discussed in detail. It is also experimentally demonstrated
how a tapping approach with a classical instrument would ultimately lead to
decoherence and stop the communication.
de
ubt-podok
Quantenphysikalische Methoden zur Datenübertragung mit Elektronen-Materiewellen
PhDThesis
URL
https://publikationen.uni-tuebingen.de/xmlui/bitstream/10900/118671/1/Dissertation%20Robin%20Roepke_end_klein.pdf
File
MD5
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13197226
application/pdf
Dissertation Robin Roepke_end_klein.pdf
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