Quantenphysikalische Methoden zur Datenübertragung mit Elektronen-Materiewellen

Abstract

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.