Experimental distribution of entanglement in ion-photon quantum networks : photon-pairs as resource

Abstract

The distribution of entanglement is one of the main tasks in quantum networks. It is the basis for many cryptographic protocols for secure data transmission as well as for distributed quantum computing, and offers a way to transmit qubits via quantum-state teleportation as an alternative to direct transmission. This thesis reports on the setup, characterization and use of an entangled photon pair source for quantum network experiments based on spontaneous parametric down conversion. The source is resonant with the D5/2-P3/2 transition of 40Ca+ at 854nm and combines the spectral shaping and high pair rates of a doubly resonant cavity with the high-fidelity entanglement of sources in interferometric configuration. The photon pair source is used in experiments towards quantum network operations with a single trapped ion, acting as quantum node. Demonstrated are the heralded mapping of a photonic qubit to a spin qubit in the ion, the transfer of photon-photon entanglement to ion-photon entanglement by the mapping of one photon of an entangled pair, and the teleportation of a spin qubit from the ion onto a polarization qubit of one photon of an entangled pair. The interconnection of the photon-pair source to the telecom wavelength range is demonstrated in a preliminary experiment via polarization-independent quantum frequency conversion of one photon of a pair. The entanglement is preserved, which opens the way for long haul distribution of entanglement for quantum communication.

Die Verteilung von Verschränkung ist eine der Hauptaufgaben in Quantennetzwerken. Sie ist die Grundlage vieler kryptographischer Protokolle für die sichere Datenübertragung sowie des verteilten Quantencomputings und bietet mit der Quantenteleportation eine Alternative Möglichkeit zur direkten übertragung von Qubits. Die vorliegende Arbeit beinhaltet Aufbau, Charakterisierung und Verwendung einer verschränkten Photonenpaarquelle für Quantennetzwerk Experimente basierend auf spontaner parametrischer Abwärtskonversion (SPDC). Die Paarquelle ist resonant mit dem D5=2-P3=2 übergang von 40Ca+ bei 854nm und kombiniert die spektrale Anpassung und hohen Paarraten eines doppelt resonanten Resonators und die hohe Güte der Verschränkung von Quellen in interferometrischer Konfiguration. Die Paarquelle wird in Quantennetzwerkoperationen verwendet mit einem einzelnen gefangenen 40Ca+ Ion als Quantenknoten. Demonstriert werden die angekündigte Abbildung eines photonischen Qubits auf ein Spin Qubit im Ion, die Erzeugung von Ion-Photon Verschränkung durch die Abbildung eines Photons eines verschränkten Photonenpaares, sowie die Teleportation eines Spin Qubits auf ein Polarisations Qubit eines Photons eines verschränkten Paares. Die Verbindung der Paarquelle an den Telekomwellenlängenbereich ist in einem vorbereitenden Experiment mittels polarisationsunabhängiger Quanten-Frequenzkonversion gezeigt die den Weg zur langreichweitigen Quantenkommunikation öffnet.