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Kiesel, Nikolai (2007): Experiments on Multiphoton Entanglement. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Entanglement lies at the heart of quantum mechanics and challenged the intuition of physicists ever since it was discovered. At the same time, it is a powerful tool that serves as a key resource for quantum communication and quantum computation schemes. Many of these applications rely on multiparticle entanglement, whose description, generation and manipulation became therefore a very active field in theoretical and experimental quantum information science. The goals are here to classify and understand the different types of entanglement, to find new applications and to control and analyze the quantum states experimentally. In this thesis, the experimental observation and analysis of two different types of four-photon polarization entangled states is presented: The cluster state and the symmetric Dicke state with two excitations. For this purpose, experimental setups based on spontaneous parametric down conversion and linear optics with conditional detection were designed. They allowed to observe the cluster state with a fidelity of 74.1 % and the symmetric Dicke state with a fidelity of 84.4 %. The cluster state experiment included the development of a new instrument that is of interest for linear optics quantum logic in general: A probabilistic controlled phase gate that is, due to the simplification of a previous approach, highly stable and can actually be used in multiphoton experiments. The quality of the gate is evaluated by analyzing its entangling capability and by performing full process tomography. The achieved results demonstrate that this device is well suited for implementation in various multiphoton quantum information protocols. In order to study the observed quantum states, efficient analysis tools are introduced. It was possible to verify that essential properties of the ideal states are indeed reproduced in the experiment, among others, the presence of genuine four-partite entanglement. A particular focus is put on the behavior of the states under projective measurements and photon loss. Several new insights in their entanglement structure are revealed and verified experimentally. We further demonstrate properties that are characteristic for the entanglement classes of the states. These can be used to infer the applicability of the observed states for certain distributed quantum communication applications. The presented experiments are generic for the design of setups to observe cluster- and symmetric Dicke states with a higher number of photons. Furthermore, also the efficient non-tomographic methods for state analysis we employ can directly be generalized to experiments with higher qubit numbers, where the reduction of the experimental effort for state analysis is even more crucial.

Abstract

Als zentrales Element der Quantenmechanik fordert Verschränkung nicht nur immer wieder die Intuition von Physikern heraus, sondern bildet dabei auch die elementare Ressource für verschiedene Schemata der Quantenkommunikation und des Quantenrechnens. Wichtiger Bestandteil vieler dieser Anwendungen ist die Vielteilchenverschänkung. Daher wurde deren Beschreibung, Erzeugung und Manipulation ein sehr aktives Gebiet der theoretischen und experimentellen Quanteninformationswissenschaften. Die Herausforderung liegt hierbei im Verständnis und der Charakterisierung der verschiedenen Typen von Vielteilchenverschränkung, dem Finden neuer Anwendungen sowie der experimentellen Kontrolle und Analyse von Quantenzuständen. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der experimentellen Beobachtung und Analyse von zwei verschiedenen Typen polarisationsverschränkter Vier-Photonen-Zustände: Denen des Cluster-Zustands und des symmetrischen Dicke-Zustands mit zwei Anregungen. Die zu diesem Zweck entwickelten Versuchsaufbauten basieren auf einer Kombination aus spontaner parametrischer Fluoreszenz und linearer Optik sowie bedingter Detektion. Der Cluster-Zustand kann damit mit einer Fidelity von 74.1 % und der symmetrische Dicke-Zustand mit einer Fidelity von 84.4 % nachgewiesen werden. Im Rahmen des Clusterzustandexperiments wurde ferner ein Instrument entwickelt, das von allgemeinem Interesse für Anwendungen ist, die auf linear-optischer Quantenlogik beruhen: Ein probabilistisches kontrolliertes Phasengatter das durch die Verbesserung einer bereits früher realisierten Version sehr stabil und daher besonders gut für die Verwendung in Mehrphotonenexperimenten geeignet ist. Um die Qualität des Gatters zu untersuchen, wurde dessen Fähigkeit Verschränkung zu erzeugen eingehend untersucht sowie eine Prozesstomographie durchgeführt. Die erzielten Resultate stellen eine erfolgreiche Anwendung des Gatters in verschiedenen Quanteninformationsprotokollen in Aussicht. Zur genaueren Untersuchung der beobachteten Zustände, werden effiziente Analysemethoden vorgestellt. Diese ermöglichen den Nachweis verschiedener grundlegender Eigenschaften der idealen Zustände im Experiment; unter anderem echte Vierteilchenverschränkung. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Untersuchung des Verhaltens der Zustände bei projektiven Messungen und dem Verlust einzelner Photonen. Dabei werden neue Einsichten in die Verschränkungsstruktur der Zustände gewonnen und experimentell bestätigt. Des Weiteren werden Eigenschaften, die für die Verschränkungsklasse der Zustände charakteristisch sind, aufgezeigt. Die gewonnen Erkenntnisse können benutzt werden um die Verwendtbarkeit der Zustände für bestimmte Quantenkommunikationsanwendungen abzuleiten. Die gezeigten Experimente sind generisch für den Entwurf experimenteller Aufbauten zur Beobachtung von Cluster- und symmetrischen Dicke-Zuständen mit höherer Photonenzahl. Selbiges gilt auch für die verwendeten effizienten nicht-tomographischen Methoden zur Zustandsanalyse, wobei die damit verbundene Reduzierung des experimentellen Aufwands besonders bei hohen Photonenzahlen eine entscheidende Rolle spielt.