Atom-to-photon quantum state transfer and teleportation - experiments in the lab and over a metropolitan fibre

Abstract

Single photon-pair sources are essential for future quantum networks. To be used effectively, the following requirements are essential: high photon rates, high-fidelity entanglement and light-matter interfaces to quantum memories. This work describes the setup and characterisation of a single photon pair-source based on cavity-enhanced spontaneous parametric down conversion resonant to the D5/2 to P3/2 transition of a single 40Ca+ quantum memory fulfilling the upper requirements. The main goal is the realisation of quantum state teleportation over a metropolitan fibre using the source as a resource of entanglement. Our experiments demonstrate the preservation of high-fidelity entanglement during conversion to the low-loss, low-dispersion telecom wavelength range at 1550 nm and fibre transmission over a metropolitan fibre and up to 40 km of fibre spool, including back-conversion to the memory wavelength. Further experiments show the excellent performance of our network protocols in transferring photon-photon entanglement to ion-photon entanglement and teleporting a spin qubit from the ion onto a polarisation qubit of a photon. Both protocols are based on the heralded absorption of one photon from a pair by the ion. The interface operations are also demonstrated with quantum frequency conversion and a metropolitan fibre of 14 km length.

Einzelphotonen-Paarquellen sind für künftige Quantennetze unverzichtbar. Um effektiv nutzbar zu sein, müssen folgende Anforderungen erfüllt sein: hohe Photonenraten, hohe Verschränkungsgüte und Licht-Materie-Schnittstellen zu Quantenspeichern. Diese Arbeit beschreibt den Aufbau und die Charakterisierung einer Einzelphotonen-Paarquelle auf der Basis resonatorverstärkter spontaner parametrischer Abwärtskonversion, die mit dem D5/2 zu P3/2-Übergang eines einzelnen 40Ca+-Quantenspeichers resonant ist und die oberen Anforderungen erfüllt. Das Hauptziel ist die Realisierung einer Quantenzustands-Teleportation über eine städtische Faser unter Verwendung der Quelle als Ressource der Verschränkung. Unsere Experimente demonstrieren die Erhaltung der Verschränkung mit hoher Güte während der Konversion in den verlust- und streuungsarmen Wellenlängenbereich bei 1550 nm und der Übertragung über eine städtische Faser und bis zu 40 km Faserspule, einschließlich der Rückkonversion zur Speicherwellenlänge. Weitere Experimente zeigen die hervorragende Leistung unserer Netzwerkprotokolle bei der Übertragung von Photonen-Photonen-Verschränkung auf Ionen-Photonen-Verschränkung und bei Teleportation eines Spin-Qubits vom Ion auf ein Polarisations-Qubit eines Photons. Beide Protokolle beruhen auf der angekündigten Absorption eines Photons aus einem Paar durch das Ion. Die Schnittstellenoperationen werden auch mit Quantenfrequenzkonversion und einer 14 km langen städtischen Faser demonstriert.