Polarization-preserving quantum frequency conversion for trapped-atom based quantum networks

Abstract

The scope of this thesis is the development of efficient and low-background polarization- preserving quantum frequency converters (PPQFC) and their integration into trapped-atom based quantum network nodes to demonstrate building blocks of a quantum network (QN). We constructed four PPQFC devices to transduce the emission wavelengths of single trapped 40Ca+-ions at 854 nm and neutral 87Rb-atoms at 780 nm to the low-loss telecom bands between 1260 nm and 1625 nm. Upon the conversion process, the quantum information encoded in the photon polarization has to be preserved. To this end, we rely on difference frequency generation in ridge waveguides, which are inserted into polarization interferometers arranged in Sagnac- or Mach-Zehnder-type configuration. For the conversion of single and entangled photons we achieved external device efficiencies between 26.5 % and 57.4 %, low background levels, which allow for signal-to-background ratios above 20, and process fidelities > 99.5 %. Employing the PPQFC devices, we were able to demonstrate several key elements of long-distance QNs: photon-photon entanglement over 40 km of fiber via 2-step QFC with a fidelity of 98.9 %, ion-telecom-photon entanglement with high fidelities up to 97.8 %, an atom-to-telecom-photon state transfer, and the distribution of atom-photon entanglement over 20 km of fiber with a fidelity of 78.9 %. These results hold great promise to extend small QNs with ≥ 2 nodes to a metropolitan scale

In dieser Arbeit werden effiziente und hintergrundarme polarisationserhaltende Quan- tenfrequenzkonverter (PPQFC) entwickelt und in Quantennetzwerkknoten basierend auf gefangenen Atomen integriert, um Bausteine eines Quantennetzwerks (QN) zu demonstrieren. Wir haben vier PPQFC gebaut um die Emissionswellenlängen von einzelnen 40Ca+-Ionen bei 854 nm und neutralen 87Rb-Atomen bei 780 nm in die verlustarmen Telekombänder zwischen 1260 nm und 1625 nm umzuwandeln. Im Konversionsprozess muss die Quanteninformation, kodiert in der Polarisation der Photonen, erhalten bleiben. Dazu nutzen wir Differenzfrequenzerzeugung in Kantenwellenleitern, welche in Polarisationsinterferometer in Form von Sagnac- oder Mach-Zehnder-Aufbauten integriert werden. Für die Konversion einzelner und verschränkter Photonen erreichten wir externe Geräteeffizienzen zwischen 26.5 % und 57.4 %, geringe Hintergrundbeiträge, die Signal-zu-Hintergrund-Verhältnisse über 20 ermöglichen, sowie Prozess-Fidelities > 99.5 %. Mit Hilfe der Konverter konnten wir eine Reihe von Kernelementen von langreichweitigen QNn zeigen: Photonen-Photonen-Verschränkung über 40 km Faser mittels 2-Schritt QFC mit einer Fidelity von 98.9 %, Ion-Telekom-Photon-Verschränkung mit hohen Fidelities bis zu 97.8 %, einen Atom-zu-Telekom-Photon Zustandstransfer, und die Verteilung von Atom-Photon-Verschränkung über 20 km Faser mit einer Fidelity von 78.9 %. Diese Resultate sind vielversprechend um kleine QN mit ≥ 2 Knoten auf die Längenskala einer Stadt auszuweiten.