Robust and efficient quantum repeater with atomic ensembles and linear optics [Elektronische Ressource] / presented by Bo Zhao

De
Dissertationsubmitted to theCombined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematicsof the Ruperto–Carola University of Heidelberg, Germanyfor the degree ofDoctor of Natural Sciencespresented byM.Sc. Bo Zhaoborn in Donggang Liaoning (P. R. China)thOral examination: July 16 2008Robust and Efficient Quantum Repeater withAtomic Ensembles and Linear OpticsReferees: Prof. Dr. Jian-Wei PanProf. Dr. Peter SchmelcherZusammenfassungRobusteundeffizienteQuanten-repeatermitatomarenEnsem-bles und lineare OptikDie Arbeit, die in dieser Dissertation vorgestellt wird, untersucht theoretisch und experimentell dieQuantenkommunikation u¨ber lange Strecken (long-distance quantum communication) mit atomarenEnsemblen und linearer Optik. Ein robustes und effiziente Quantenrepeaterarchitektur aufbauend aufeinem Originalprotokoll von Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ) wird vorgestellt. Die neue Architekturbasiert auf der Zweiphotonen Hong-Ou-Mandel-typischen Interferenz, um so die Anforderungen andie Stabilitat¨ u¨ber weite Entfernungen um circa 7 Grossen¨ ordnungen zu reduzieren. Daru¨ber hinausverwenden wir die nichtklassischen Korrelationen um eine determinstische Einzelphotonenquelle, denHong-Ou-Mandel Dip zwischen zwei einzelnen Photonen, einen Quantenspeicher mit langer Leben-szeit in einer optischen Dipolfalle und die Quantenteleportation zwischen einem Photon als Qubitund einem atomaren Speicherqubit zu demonstrieren.
Publié le : mardi 1 janvier 2008
Lecture(s) : 18
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Source : ARCHIV.UB.UNI-HEIDELBERG.DE/VOLLTEXTSERVER/VOLLTEXTE/2008/8438/PDF/ROBUST_AND_EFFICIENT_QUANTUM_REPEATER_WITH_ATOMIC_ENSEMBLES_AND_LINEAR_OPTICS.PDF
Nombre de pages : 149
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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
presented by
M.Sc. Bo Zhao
born in Donggang Liaoning (P. R. China)
thOral examination: July 16 2008Robust and Efficient Quantum Repeater with
Atomic Ensembles and Linear Optics
Referees: Prof. Dr. Jian-Wei Pan
Prof. Dr. Peter SchmelcherZusammenfassung
RobusteundeffizienteQuanten-repeatermitatomarenEnsem-
bles und lineare Optik
Die Arbeit, die in dieser Dissertation vorgestellt wird, untersucht theoretisch und experimentell die
Quantenkommunikation u¨ber lange Strecken (long-distance quantum communication) mit atomaren
Ensemblen und linearer Optik. Ein robustes und effiziente Quantenrepeaterarchitektur aufbauend auf
einem Originalprotokoll von Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ) wird vorgestellt. Die neue Architektur
basiert auf der Zweiphotonen Hong-Ou-Mandel-typischen Interferenz, um so die Anforderungen an
die Stabilitat¨ u¨ber weite Entfernungen um circa 7 Gr¨ossenordnungen zu reduzieren. Daru¨ber hinaus
verwenden wir die nichtklassischen Korrelationen um eine determinstische Einzelphotonenquelle, den
Hong-Ou-Mandel Dip zwischen zwei einzelnen Photonen, einen Quantenspeicher mit langer Leben-
szeit in einer optischen Dipolfalle und die Quantenteleportation zwischen einem Photon als Qubit
und einem atomaren Speicherqubit zu demonstrieren. Abschließend wird mithilfe einer neuen Quelle
zur Verschr¨ankung von atomaren Ensembles und Photonen ein Baustein fu¨r einen robusten Quanten-
repeater realisiert. Der theoretische und experimentelle Fortschritt, der in dieser Arbeit dargestellt
wird, erlaubt die zuverlassige Implementierung eines robusten Quantenrepeaters und offnet einen re-¨ ¨
alistischen Weg fu¨r die relevante Quantenkommunikation u¨ber lange Strecken.
Abstract
Robust and efficient quantum repeater with atomic ensembles
and linear optics
The work presented in this thesis is the theoretical and experimental investigation of long-distance
quantum communication with atomic ensembles and linear optics. A robust and efficient quantum
repeater architecture building on the original Duan-Lukin-Cirac-Zoller protocol (DLCZ) is proposed.
The new architecture is based on two-photon Hong-Ou-Mandel-type interference, which relaxes the
long distance stability requirements by about 7 orders of magnitude. Moreover, by exploiting the
localgenerationofquasi-idealentangledpair, thenewarchitectureismuchfasterthanalltheprevious
protocolswithsimilaringredients. Wethenreportourrecentexperimentaleffortstowardsthequantum
repeater with atomic ensembles and linear optics. By exploiting the nonclassical correlation, we
demonstrated a deterministic single photon source, Hong-Ou-Mandel dip between two single photons,
long-lived quantum memory with optical trap, and quantum teleportation between a photonic qubit
and a memory qubit. Moreover, by the aid of the new atom-photon entanglement source, a building
blockofthe robustquantum repeateris realized. The theoreticaland experimentalprogress presented
in this work allows a faithfully implementation of a robust quantum repeater, and enables a realistic
avenue for relevant long-distance quantum communication.
iiiContents
Abstract i
Contents iii
List of figures vii
List of Tables xv
1 Introduction 1
1.1 Quantum computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Quantum communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.1 Quantum cryptography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.2 Quantum repeater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 The objective of this work. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Atomic memory for a quantum repeater 7
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Spontaneous Raman scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 Retrieval of the stored collective excitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4 The nonclassical correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3 Duan-Lukin-Cirac-Zoller protocol and the drawbacks 17
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2 Basic protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3 Phase stabilization problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3.1 Phase instability analysis I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3.2 Phase instability analysis II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.4 The scalability analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4 Robust creation of entanglement between remote memory qubits 27
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.2 Entanglement generation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.3 Entanglement connection and scalability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.4 Entanglement purification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
5 A fast quantum repeater with high-quality local entanglement 37
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.2 Locally generated quasi-ideal entangled pair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.3 Repeater Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.4 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
iiiCONTENTS
6 Deterministic single-photon source based on a quantum memory 49
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6.2 Basic protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
6.3 Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
7 Synchronized independent narrow-band single photons 59
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
7.2 Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
7.2.1 Theoretical description of HOM dip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
7.2.2 The measurement of HOM dip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
7.2.3 Time resolved two-photon interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
7.2.4 Test Bell inequality. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
7.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
8 Quantum teleportation between photonic and atomic qubits 69
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
8.2 Experimental scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
8.3 Experimental realization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
8.3.1 Preparation of the entanglement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
8.3.2 Phase locking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
8.3.3 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
8.4 Noise estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
8.4.1 Bell-state measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
8.4.2 Teleportation fidelity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
8.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
9 Demonstration of a stable atom-photon entanglement source 79
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
9.2 Experimental scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
9.3 Characterization of atom-photon entanglement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
9.3.1 Entanglement visibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
9.3.2 Storage of entanglement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
9.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
10 Entanglement swapping between Light and matter 87
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
10.2 Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
10.2.1 Atom-photon entanglement source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
10.2.2 Entanglement swapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
10.2.3 Phase stabilization method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
10.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
11 Quantum memory with optically trapped atoms 99
11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
11.2 Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
11.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
12 A long-lived quantum memory for scalable quantum networks 107
12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
12.2 Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
12.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
13 Conclusion and outlook 115
Appendix: Associated Publications 117
ivCONTENTS
Acknowledgement 119
Bibliography 121
vvi

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