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Towards scalable photonic entanglement generation
Rui Ferreira Vasconcelos
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Physik)
Betreuer*innen
Philip Walther ,
Michael Trupke
DOI
10.25365/thesis.60951
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-10841.75871.354362-7
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Für die Realisierung von echten Quantencomputern und Quantennetzwerken über die vorhandenen einfachen Laborsystem hinaus, muss die Zahl der Quantenbits (Qubits) und der notwendigen Kontrollsysteme drastisch erhöht werden. Dies wird es Quantencomputern ermöglichen bestimmte wichtige Probleme um ein vielfaches schneller zu lösen als ihre klassischen Pendants. In der vorliegenden Arbeit wird es darum gehen experimentelle Grundlagen zu schaffen für diese Skalierung von einfachen Quantensystemen hin zu photonischen Clusterzuständen.
In der Vergangenheit wurde für die Verschränkung von Photonen die spontane parametrische Fluoreszenz (SPDC) Technik verwendet. Diese arbeitet mit nicht-linearen Kristallen zur Photonenverschränkung, allerdings ist diese Technik aufgrund ihrer„spontanen“ zufälligen Natur nur schwer zu skalieren. Dieses Problem wird in dieser Arbeit dadurch umgangen, dass ein alternativer Ansatz mit sequenziell arbeitenden Einzelphotonenquelle (SPE) benutzt wird. Hierdurch wird eine Kette aus verschränkten Photonen erzeugt. Diese Arbeit beschreibt die Weiterentwicklung vom SPDC Ansatz zur SPE basierten Photonenerzeugung anhand von mehrerer Experimente.
Zuerst wird eine SPDC-Quelle benützt, um einen 4-Qubit Clusterzustand zu erzeugen. Dieser wird dann benutzt um eine messungsbasiert- Quantenfehlerkorrektur durchzuführen. Hierfür wird ein logisches Qbit in einem Clusterszustand gespeichert, dass danach Umgebungseinflüssen ausgesetzt wird. Anschließend wird das logische Qubit aus dem Clusterzustand rekonstruiert. Dies demonstriert die Möglichkeit von messungs-basiertem Quantencomputing in einem realistischen Szenario.
Anschließend wird in dieser Arbeit ein SPE basiertes Verschränkungsprotokoll vorgestellt. Dieses basiert auf nur einem einzigem optischen Übergang und einem asymmetrischen Interferometer mit zwei unterschiedlich langen Armen. Der optische Übergang wird benutzt um ein photonisches Qubit zu erzeugen. Dieser Prozess wird kontinuierlich wiederholt. Das Interferometer dient nun dazu die zeitlichen Unterschiede auszugleichen und zwei hintereinander erzeugte Qubits zu verschränken und in einer polarisieren Basis auszugeben. Quantentomographie wird anschließend durchgeführt, um die Quantennatur des Prozesses aufzuzeigen.
Die Grundbausteine des vorgeschlagenen Protokolls werden in dieser Arbeit vorgestellt und die experimentellen Details diskutiert. Das benützte Quantensystem ist das Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum (NV Centre); dieses wird als Einzelphotonenquelle benützt. Leider war es nicht möglich mit dem derzeitigen Experiment Photonenzustände mit mehr als zwei Photonen herzustellen. Der Grund hierfür war die hohe experimentelle Verlustrate der Photonen und die starken Phononen-Seitenbänder des NVs. In Zukunft werden wir versuchen dieses Problem mithilfe eines NVs zu überwinden, das den Purcell Effekt nutzt. Dies wird uns eine deutlich höherer Sammeleffizienz ermöglichen und Verluste minimieren. Dadurch wird es möglich werden Clusterzustände mit hunderten von Photonen aufzubauen. Ein weiterer Schritt ist die Erweiterung auf mehrere SPEs die parallel operieren, was es ermöglichen würde 3-dimensionale Clusterszustände zu realisieren. Dies sollte zu einer deutlichen Erhöhung der Fehlertoleranz von Quantenzuständen beitragen.
Abstract
(Englisch)
The realisation of quantum computers and networks, beyond proof-of-principle quantum information processing and prototyping, awaits the scaling up of the underlying physical platforms. By increasing the number of quantum bits (qubits) under experimental control, these devices will overtake their classical counterparts in solving certain tasks. From this perspective, this thesis focuses on the scalable generation of photonic cluster states for measurement-based quantum computation.
Over the last decade, photonic entanglement generation was most commonly realised by spontaneous parametric down conversion (SPDC) in non-linear crystals, whose probabilistic nature constituted a major hurdle to scaling up. To overcome this issue, alternative, proposed schemes relied on sequential operations on a single-photon emitter (SPE), to deterministically produce strings of entangled photons. The series of experiments that constitute this thesis portrays the transition from SPDC- to SPE-based photonic entanglement-generation schemes.
Firstly, a SPDC source is characterised and modified to produce 4-qubit cluster states. These are then applied to the demonstration of elements of measurement-based error correction, where an arbitrary logical qubit is protected against phase noise, by encoding into the cluster state. Arising errors are detected by syndrome readout and the initially encoded state is recovered. This demonstration shows a building block of measurement-based quantum computing, towards a realistic fault-tolerant scenario.
Secondly, a scalable SPE-based entanglement-generation protocol, which resorts to a single optical transition of an emitter and an unbalanced polarising interferometer, is presented. By employing a single transition to produce photonic time-bin qubits, this scheme relaxes the stringent requirements placed upon the emitter by similar protocols and, therefore, widens the range of platforms suited for photonic entanglement generation. The interferometer, then, converts the photonic qubits from a time-bin basis into a polarisation basis, where quantum gates and tomography can be performed.
The basic unit of the proposed iterative scheme is experimentally demonstrated, using a nitrogen-vacancy (NV) centre as the single-photon emitter, to produce an entangled state between a spin of the NV centre and the polarisation of an emitted photon. Finally, the outlook for this work is examined – a Purcell enhanced NV centre would overcome some of the experimental limitations, which currently restrict the size of the cluster state to two qubits. This would be possible with current technology and could enable the production of linear cluster states with hundreds of photons. Operating several such SPEs in parallel, would open up the possibility to produce 3-dimensional cluster states, constituting a universal resource for fault-tolerant quantum computing and communication.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Photonic quantum computing Entanglement generation
Schlagwörter
(Deutsch)
Photonisches quanten computing Verschränkungs Erzeugung
Autor*innen
Rui Ferreira Vasconcelos
Haupttitel (Englisch)
Towards scalable photonic entanglement generation
Paralleltitel (Deutsch)
Skalierbare Erzeugung von verschränkten photonischen Zuständen
Publikationsjahr
2019
Umfangsangabe
iii, iii-vii, 161 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Markus Arndt ,
Armando Rastelli
Klassifikationen
33 Physik > 33.05 Experimentalphysik ,
33 Physik > 33.23 Quantenphysik
AC Nummer
AC16056879
Utheses ID
53850
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |