Quantum information with entangled photons and cold atomic ensembles [Elektronische Ressource] / put forward by Xiao-Hui Bao

Dissertationsubmitted to theCombined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematicsof the Ruperto{Carola University of Heidelberg, Germanyfor the degree ofDoctor of Natural SciencesPut forward byBao, Xiao-Huiborn in Liaoning, ChinaOral examination: 22.07.2010Quantum Information with Entangled Photons andCold Atomic EnsemblesReferees: Prof. Dr. Jian-Wei PanProf. Dr. Matthias WeidemullerZusammenfassungQuanteninformation mit verschrankten Photonen und kalten atomaren EnsemblesIn der Quanteninformationsverarbeitung gelten Photonen als die besten Kandidaten furdie Ubertragung und Atome als die besten Kandidaten fur die Speicherung von Informa-tion. Die Kombination dieser beiden Systeme verspricht eine faszinierende Zukunft furdie praktische Anwendung von Konzepten der Quanteninformation. Die Arbeiten, die imRahmen dieser Dissertation vorgestellt werden, lassen sich gr o tenteils in zwei Teilbere-iche einordnen. Der ersten Teil beschreibt die Manipulation von verschr ankten Photonenund beinhaltet die Demonstration eines zerst orungsfreien CNOT-Gatters, die Erzeugungvon schmalbandigen verschr ankten Photonen mithilfe einer durch einen Hohlraumres-onator verst arkten parametrischen Fluoreszenzquelle und die Realisierung von Inter-ferenz zwischen schmalbandigen Photonenquellen. Der zweite Teil behandelt die Manip-ulation von atomaren Ensembles.
Publié le : vendredi 1 janvier 2010
Lecture(s) : 16
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Source : D-NB.INFO/1005137145/34
Nombre de pages : 137
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Dissertation
submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematics
of the Ruperto{Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
Put forward by
Bao, Xiao-Hui
born in Liaoning, China
Oral examination: 22.07.2010Quantum Information with Entangled Photons and
Cold Atomic Ensembles
Referees: Prof. Dr. Jian-Wei Pan
Prof. Dr. Matthias WeidemullerZusammenfassung
Quanteninformation mit verschrankten Photonen und kalten atomaren Ensembles
In der Quanteninformationsverarbeitung gelten Photonen als die besten Kandidaten fur
die Ubertragung und Atome als die besten Kandidaten fur die Speicherung von Informa-
tion. Die Kombination dieser beiden Systeme verspricht eine faszinierende Zukunft fur
die praktische Anwendung von Konzepten der Quanteninformation. Die Arbeiten, die im
Rahmen dieser Dissertation vorgestellt werden, lassen sich gr o tenteils in zwei Teilbere-
iche einordnen. Der ersten Teil beschreibt die Manipulation von verschr ankten Photonen
und beinhaltet die Demonstration eines zerst orungsfreien CNOT-Gatters, die Erzeugung
von schmalbandigen verschr ankten Photonen mithilfe einer durch einen Hohlraumres-
onator verst arkten parametrischen Fluoreszenzquelle und die Realisierung von Inter-
ferenz zwischen schmalbandigen Photonenquellen. Der zweite Teil behandelt die Manip-
ulation von atomaren Ensembles. Der Hauptzweck dieses Teils ist die Vergr o erung der
Ubertragungsentfernung fur die Quantenkommunikation durch das Konzept des Quan-
tenrepeaters. Die in diesem Teil vorgestellten experimentellen Arbeiten beinhalten die
Verl angerung der Speicherzeit von Quantenspeichern auf 1ms durch Vergr o erung der
Wellenl ange der gespeicherten Spinwelle, die Realisierung des verschr ankungsgestutzten
Spinwelleninterferometers, der Demonstration von e zientem Verschr ankungsaustausch
mithilfe von Quantenspeichern und die Realisierung der Quantenteleportation zwischen
atomaren Ensembles.
Abstract
Quantum Information with Entangled Photons and Cold Atomic Ensembles
In quantum information science, photons are the best candidate for transmitting infor-
mation, and atoms are the best candidate for storing information. The combination of
these two systems provides a fascinating future for practical applications of the quan-
tum information concepts. The work presented in this thesis mainly consists of two
parts. The rst part is about manipulation of entangled photons, including the demon-
stration of a nondestructive CNOT gate, the creation of narrowband entangled photons
through cavity-enhanced spontaneous parametric down-conversion, and the realization
of interference between narrowband photon sources. The second part is about manip-
ulation of atomic ensembles. The main purpose for this part is to extend the quantum
communication distance using the concept of quantum repeater. Within this part, the
experimental work includes, the extension of storage lifetime of quantum memories to
1 ms by increasing the wavelength of stored spinwave, the realization of entanglement
assisted spinwave interferometer, the demonstration of e cient entanglement swapping
with quantum memories, and the realization of quantum teleportation between atomic
ensembles.
vContents
Abstract v
1 Introduction 1
1.1 Qubit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Quantum cryptography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3 Quantum teleportation and entanglement swapping . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 Quantum repeater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.5 Quantum computing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 Creation of Entangled Photons 9
2.1 SPDC in nonlinear media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Types of entanglement in SPDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.1 Momentum entanglement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.2 Time entanglement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.3 Polarization entanglement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3 Multi-photon entanglement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4 Hyper-entanglement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.5 Creation of entangled photons in other systems . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.6 Entanglement detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3 Nondestructive CNOT Gate without Using Entangled Ancilla 19
3.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2 Our new scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3 Experimental realization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.4 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
viiContents viii
4 Generation of Narrowband Entangled Photons 27
4.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.2 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.3 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5 Interference of Narrowband Photon Sources 35
5.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.2 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.3 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
6 Quantum Repeater with Cold Atomic Ensembles 43
6.1 The DLCZ protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
6.1.1 Write process through spontaneous Raman scattering . . . . . . . 43
6.1.2 Read process using collective enhancement . . . . . . . . . . . . . 45
6.1.3 Creation of remote entanglement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
6.2 A robust scheme resistent to phase noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6.3 E cient creation of remote entanglement . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
7 Improving the Performance of Quantum Memory 53
7.1 Extension of storage lifetime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
7.1.1 Inhomogeneity of magnetic eld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
7.1.2 Loss of atoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
7.1.3 Spinwave dephasing due to random atomic movement . . . . . . . 56
7.1.4 Con ning the atoms with optical dipole trap . . . . . . . . . . . . 57
7.1.4.1 Red detuned trap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
7.1.4.2 Blue detuned trap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
7.2 Increasing retrieval e ciency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
7.2.1 Relation with optical depth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
7.2.2 The ring cavity experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
7.2.3 The big cavity idea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
8 Experimental Realization of 1 Millisecond Storage 67
viiiContents ix
8.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
8.2 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
8.3 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
8.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
9 Entanglement Assisted Spinwave Interferometer 75
9.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
9.2 Generation of rst order NOON state . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
9.3 of second order NOON state . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
9.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
10 E cient Entanglement Swapping with Quantum Memories 83
10.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
10.2 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
10.3 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
10.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
11 Quantum Teleportation Between Atomic Ensembles 91
11.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
11.2 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
11.3 Control sequences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
11.4 Deterministic State preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
11.5 Heralded state preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
11.6 Teleportation: short ber case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
11.7 Teleportation: long ber case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
11.8 Heralded teleportation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
12 Conclusions and Outlook 103
A Relation between Retrieval E ciency and Atomic Random Phases 105
List of Publications 107
Acknowledgements 109
ixContents x
Bibliography 111
x

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