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Trojek, Pavel (2007): Efficient generation of photonic entanglement and multiparty quantum communication. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Entangled photons are at the heart of experimental quantum physics. They were used for the first fundamental tests of quantum theory, and became a basic building block for many novel quantum protocols, such as quantum cryptography, dense coding or teleportation. Therefore, the efficient generation of entangled photons, as well as their distribution and accurate analysis are of paramount importance, particularly with regard to the practicability of many applications of quantum communication. This thesis deals largely with the problem of efficient generation of photonic entanglement with the principal aim of developing a bright source of polarization-entangled photon pairs, which meets the requirements for reliable and economic operation of quantum communication prototypes and demonstrators. Our approach uses a correlated photon-pair emission in nonlinear process of spontaneous parametric down-conversion pumped by light coming from a compact and cheap blue laser diode. Two alternative source configurations are examined within the thesis. The first makes use of a well established concept of degenerate non-collinear emission from a single type-II nonlinear crystal and the second relies on a novel method where the emissions from two adjacent type-I phase-matched nonlinear crystals operated in collinear non-degenerate regime are coherently overlapped. The latter approach showed to be more effective, yielding a total detected rate of almost 10^6 pairs/s at >98 % quantum interference visibility of polarization correlations. This performance, together with the almost free of alignment operation of the system, suggest that it is an especially promising candidate for many future practical applications, including quantum cryptography, detector calibration or use in undergraduate lab courses. The second issue addressed within the thesis is the simplification and practical implementation of quantum-assisted solutions to multiparty communication tasks. While the recent rapid progress in the development of bright entangled photon-pair sources has been followed with ample experimental reports on two-party quantum communication tasks, the practical implementations of tasks for more than two parties have been held back, so far. This is mainly due to the requirement of multiparty entangled states, which are very difficult to be produced with current methods and moreover suffer from a high noise. We show that entanglement is not the only non-classical resource endowing the quantum multiparty information processing its power. Instead, only the sequential communication and transformation of a single qubit can be sufficient to accomplish certain tasks. This we prove for two distinct communication tasks, secret sharing and communication complexity. Whereas the goal of the first is to split a cryptographic key among several parties in a way that its reconstruction requires their collaboration, the latter aims at reducing the amount of communication during distributed computational tasks. Importantly, our qubit-assisted solutions to the problems are feasible with state-of-the-art technology. This we clearly demonstrate in the laboratory implementation for 6 and 5 parties, respectively, which is to the best of our knowledge the highest number of actively performing parties in a quantum protocol ever implemented. Thus, by successfully solving and implementing a cryptographic task as well as a task originating in computer science, we clearly illustrate the potential to introduce multiparty communication problems into real life.

Abstract

Verschränkte Photonen sind von zentralem Interesse im Bereich experimenteller Quantenphysik. Sie wurden für die ersten fundamentalen Tests der Quantentheorie verwendet und bilden die Grundlage bei der Realisierung vieler neuer Kommunikationsprotokolle die auf quantenmechanischen Effekten basieren, wie zum Beispiel Quantenkryptographie, "dense coding" oder Teleportation. Die effiziente Erzeugung verschränkter Photonen sowie deren genaue Analyse ist folglich von großer Bedeutung, insbesondere im Hinblick auf die Umsetzbarkeit der vielen Quantenkommunikationsanwendungen. Die vorliegende Arbeit behandelt im Wesentlichen das Problem der effizienten Erzeugung von Photon Verschränkung. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Entwicklung einer Quelle verschränkter Photonen, die den Anforderungen für einen zuverlässigen und wirtschaftlichen Betrieb in Beispielanwendungen der Quantenkommunikation genügt. Unser Ansatz verwendet die Emission korrelierter Photonen Paare im Prozess der spontanen parametrischen Fluoreszenz. Der Prozess wird mit Licht einer handlichen und billigen blauen Laserdiode gepumpt. Es werden zwei alternative Aufbauten für die Quelle betrachtet. Der erste verwendet das altbewährte Konzept der entarteten nicht-kollinearen Emission in einem einzelnen nichtlinearen Kristall vom Typ II. Der zweite Ansatz basiert auf einer neuen Methode in der die Emission zweier aneinaderliegender, phasenangepasster Kristalle vom Typ I kohärent überlagert wird. Die Phasenanpassung erfolgt dabei im kollinearen nicht-entarteten Zustand. Mit einer Rate von 10^6 Paaren in der Sekunde bei einem Interferenzkontrast der Polarisationskorrelationen von >98 % erwies sich die neue Methode als wesentlich effizienter. Diese Leistungsfähigkeit, in Verbindung mit einem nahezu justagefreien Betrieb, lässt dieses System vielversprechend für zukünftige praktische Anwendungen, wie Quantenkryptographie, Detektorkalibrierung oder Praktikumsversuche für Studenten erscheinen. Ein weiteres Thema das im Rahmen dieser Arbeit behandelt wird ist die Vereinfachung und Implementierung kommunikationstheoretischer Problemlösungen unter Zuhilfenahme quantenmechanischer Effekte. Während der rasante Fortschritt der letzten Jahre bei der Entwicklung von Quellen zur Erzeugung verschränkter Photonenpaare zu einer großen Anzahl von Veröffentlichungen auf dem Gebiet der Zwei-Parteien-Quantenkommunikation geführt hat, hielt sich die Zahl der Implementierungen von Protokollen mit mehr als zwei Parteien in Grenzen. Dies liegt hauptsächlich daran, dass die benötigten Mehr-Teilchen verschränkten Zustände mit dem heutigen Stand der Technik schwer zu produzieren sind und darüber hinaus hohes Rauschen aufweisen. Wir zeigen, dass Verschränkung nicht die einzige Ressource ist, die Mehrparteien-Quanten-Informationsverarbeitung ihre Stärke verleiht. Im Gegenteil, die sequentielle Kommunikation und Transformation eines einzelnen Qubits kann bereits ausreichend für die Lösung bestimmter Probleme sein. Dies zeigen wir anhand zweier verschiedener informationstheoretischer Problemstellungen, dem "secret sharing" und der Kommunikationskomplexität. Die erste befasst sich mit der Aufteilung eines kryptographischen Schlüssels auf mehrere Parteien in einer Weise, die für dessen Rekonstruktion die Zusammenarbeit aller Parteien erfordert. Die zweite zielt auf die Reduzierung der Kommunikation beim Lösen distributiver Berechnungen ab. Bemerkenswerterweise ist das hier verwendete qubit-basierte Lösungsverfahren mit dem heutigen Stand der Technik umsetzbar, was wir durch dessen Realisierung im Labor für 6 bzw. 5 Personen zeigen. Nach unserem Wissen ist dies die höchste Anzahl an aktiv agierenden Teilnehmern in einem Quantenkommunikationsprotokoll die je implementiert wurde. Die erfolgreiche Lösung und Implementierung von Problemstellungen aus den Bereichen der Kryptographie und der Informatik bringt somit Mehrparteien Quantenkommunikation einen Schritt näher an kommerzielle Anwendungen heran.