Quantum networking with single ions and single photons interfaced in free space

Abstract

Atom-based quantum memories and processors, interconnected through photonic quantum channels, are a promising platform for quantum networks with the goal of secure information transmission and calculational speed-up. In my dissertation, I first cover the experimental methods and tools for the manipulation of single Ca ions. This includes a narrow-band laser for addressing an optical quantum bit (qubit) as well as a magnetic field for the manipulation of a radio-frequency qubit. Furthermore, I describe experiments toward the implementation of basic quantum networks; by means of suitable laser excitation, we generate single photons, tailored both temporally and spectrally, onto which we transfer the ion’s coherence properties. Finally, I present a protocol in which the polarization state of a single photon is transferred onto the spin state of a single ion through an absorption process. Successful state transfer is heralded by the detection of a Raman-scattered photon. This property of the protocol (heralded quantum-state transfer) allows for mapping the photonic onto the atomic quantum state with high fidelity, even in the case of low absorption probabilities. In addition, a slight modification of the experimental scheme allows for the generation of an entangled atom-photon state.

Eine vielversprechende Plattform für Quantennetzwerke zum Zwecke sicherer Informationsübertragung und erhöhter Rechengeschwindigkeit sind auf einzelnen Atomen basierende Quantenspeicher und -prozessoren, die untereinander Information durch Lichtquanten (Photonen) austauschen. In meiner Dissertation behandele ich zunächst die experimentellen Methoden und Werkzeuge zur Manipulation einzelner Ca-Ionen. Dazu zählen ein schmalbandiger Laser zur Adressierung eines optischen Quantenbits (Qubit) sowie ein Magnetfeld zur Manipulation eines Radiofrequenzqubits. Im Weiteren beschreibe ich vorbereitende Experimente zur Implementierung einfacher Quantennetzwerke; durch geeignete Laseranregung lassen sich zeitlich und spektral maßgeschneiderte Einzelphotonen erzeugen, auf die sich die Kohärenzeigenschaften des Ions übertragen lassen. Schließlich stelle ich ein Protokoll vor, mit dem der Polarisationszustand eines einzelnen Photons durch Absorption auf den Spinzustand eines einzelnen Ions übertragen wird. Erfolgreiche Zustandsübertragungen werden durch die Detektion eines Raman-gestreuten Photons angekündigt. Diese Eigenschaft des Protokolls (heralded quantum-state transfer) erlaubt das Übertragen des photonischen auf den atomaren Quantenzustand mit hoher Güte (Fidelity), selbst im Fall geringer Absorptionswahrscheinlichkeiten. Eine leichte Modifikation des experimentellen Schemas erlaubt zudem die Erzeugung eines verschränkten Atom-Photon-Zustands.