Single-ion based quantum interfaces for quantum-network applications

Abstract

Single-atom–based quantum memories have proven to be among the most promising candidates for large-scale quantum networks. This architecture consists of material quantum memories, represented by single trapped atomic ions, interconnected by photonic quantum channels. The communication protocol requires a bi-directional interface between atomic and photonic qubits as well as the implementation of a quantum-repeater scheme for long-haul state transmission. The current work presents experiments that form a fundamental step towards the realization of a quantum network, based on single trapped 40Ca+ ions, in particular the implementation of an atom-photon quantum interface combined with the polarization-state–preserving single-photon conversion into the telecom regime. The theoretical part comprises a discussion of the fundamental properties of the 40Ca+ ion, followed by a treatment of the dipole emission pattern to gain a deeper understanding of the absorption and emission process. Subsequently, the experimental implementation of two protocols for an atom-photon quantum interface at 393 nm and 854 nm is demonstrated. For the latter, the quantum-state–preserving quantum frequency conversion of the single photon into the telecom O-band at 1310 nm is demonstrated.

Einzelatombasierte Quantenspeicher gehören zu den aussichtsreichsten Kandidaten für ausgedehnte Quantennetzwerke. Diese Architektur besteht aus ortsgebundenen Quantenspeichern in Form gefangener atomarer Ionen, die durch photonische Quantenkanäle verbunden sind. Das Kommunikationsprotokoll benötigt eine bidirektionale Schnittstelle zwischen atomaren und photonischen Qubits sowie die Implementierung eines Quantenrepeater-Schemas für langreichweitigen Zustandstransfer. Die vorliegenden Arbeit präsentiert Experimente, die einen fundamentalen Schritt hin zur Umsetzung eines auf einzelnen gefangenen Calcium-Ionen basierenden Quantennetzwerks darstellen, insbesondere die Implementierung einer Atom-Photon-Schnittstelle, kombiniert mit polarisationserhaltender Einzelphotonenkonversion in den Telecom-Bereich. Der theoretische Teil umfasst die Diskussion der fundamentalen Eigenschaften des 40Ca+- Ions, gefolgt von einer Abhandlung der Dipolemissioncharakteristik, um ein tieferes Verständnis der Absorptions- und Emissionsprozesse zu erlangen. Anschließend wird die Implementierung zweier Atom-Photon-Schnittstellen-Protokolle bei 393 nm und 854 nm vorgestellt. Für letztere wird zudem die Quantenzustands-erhaltende Frequenzkonversion des Einzelphotons in das Telecom-O-Band bei 1310 nm gezeigt.