Entanglement of distant atoms for quantum networks

Leent, Tim van (2023): Entanglement of distant atoms for quantum networks. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Quantennetze versprechen viele revolutionäre Anwendungen, wie zum Beispiel sichere Quantenkommunikation und verteiltes Quantencomputing. Im Mittelpunkt dieser Netze steht die Fähigkeit, die Verschränkung zwischen weit entfernten Knoten über photonische Kanäle zu verteilen. Verschiedene physikalische Kandidaten werden aktiv erforscht, um als Quantensystem in den Knoten zu dienen. Hier verwenden wir neutrale Einzelatome, um eine Quantennetzwerkverbindung zwischen zwei unabhängigen Knoten zu realisieren, die sich in 400 m voneinander entfernten Gebäuden befinden. Diese Arbeit konzentriert sich auf zwei Themen, die Demonstration eines geräteunabhängigen Quantenschlüsselverteilungsprotokolls und die Verschränkungsverteilung zwischen den Knoten über Dutzende von Kilometern Telekommunikationsfaser mit Hilfe von Quantenfrequenzumwandlung. Die geräteunabhängige Quantenschlüsselverteilung ermöglicht die Erzeugung geheimer Schlüssel über einen nicht vertrauenswürdigen Kanal unter Verwendung nicht charakterisierter und potenziell nicht vertrauenswürdiger Geräte. Das ordnungsgemäße und sichere Funktionieren der Geräte kann durch einen statistischen Test mit einer Bell-Ungleichung bestätigt werden, so dass nur noch die Integrität der Nutzerstandorte mit anderen Mitteln garantiert werden muss. Die Realisierung geräteunabhängiger Protokolle stellt jedoch eine Herausforderung dar—hauptsächlich da es schwierig ist hochwertige verschränkte Zustände zwischen zwei entfernten Orten mit hoher Detektionseffizienz herzustellen. Hier stellen wir ein experimentelles System vor, das die Verteilung von Quantenschlüsseln in einem völlig geräteunabhängigen Szenario ermöglicht. Indem wir eine ereignisbereite Atom-Atom-Verschränkungstreue von F>0.892(23) erreichen, beobachten wir eine signifikante Verletzung der CHSH-Bell-Ungleichung von S=2.578(75)—oberhalb der klassischen Grenze von 2—und eine Quantenbitfehlerrate von 0.078(9). Für das implementierte Protokoll mit Zufallsschlüsseln ergibt sich daraus eine Geheimschlüsselrate von 0.07 Bit pro Verschränkungsereignis im asymptotischen Limit, was die Fähigkeit des Systems zur Erzeugung von Geheimschlüsseln in einem geräteunabhängigen Szenario demonstriert. Das zweite Thema ist die Verschränkungsverteilung über große Entfernungen mit optische Fasern, für die es unerlässlich ist, bei Telekommunikationswellenlängen zu arbeiten, um hohe Dämpfungsverluste zu überwinden. Die meisten Quantensysteme, die derzeit erforscht werden, arbeiten jedoch im sichtbaren Licht oder nahen Infrarot. Wir verwenden eine polarisationserhaltende Quantenfrequenzumwandlung in beiden Knotenpunkten, um die Wellenlänge der mit den Atomen verschränkten Photonen von 780 nm in das S-Band der Telekommunikation zu transformieren. Dank einer beispiellosen Effizienz der externen Konversion von 57% und minimalem induziertem Rauschen berichten wir über die Beobachtung von Atom-Photon- und angekündigter Atom-Atom-Verschränkung, die über Telekom-Glasfaserverbindungen mit einer Länge von bis zu 33 km erzeugt wurde. Wir analysieren die Verschränkungstreue für verschiedene Glasfaserverbindungslängen und zeigen, dass diese bei längeren Verbindungen hauptsächlich durch die atomare Dekohärenz begrenzt ist. Die Atom-Atom-Verschränkung wird erst nach dem Empfang des Ankündigungssignals analysiert, das eine Zeitverzögerung enthält, um die klassischen Kommunikationszeiten zwischen den Knoten zu berücksichtigen und ein realistisches Szenario einer Quantennetzwerkverbindung zu simulieren. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse ebnen den Weg zur ultimativen Form der sicheren Quantenkommunikation in zukünftigen Quantennetzwerken und sind ein Meilenstein auf dem Weg zur Realisierung von Quantennetzwerkverbindungen über große Entfernungen.

Abstract

Quantum networks promise many revolutionary applications, such as secure quantum communication and distributed quantum computing. Central to these networks is the ability to distribute entanglement between distant nodes using photonic channels. Various physical candidates are under active research to serve as quantum system in the nodes. Here, we employ neutral single-atoms to realise a quantum network link between two independent nodes located in buildings 400 m apart. This thesis focusses on two topics, namely, the demonstration of a device-independent quantum key distribution protocol and entanglement distribution between the nodes over tens of kilometres of telecom fibre employing quantum frequency conversion. Device-independent quantum key distribution enables the generation of secret keys over an untrusted channel using uncharacterized and potentially untrusted devices. The proper and secure functioning of the devices can be certified by a statistical test probing a Bell inequality, thereby leaving only the integrity of the users' locations to be guaranteed by other means. The realisation of device-independent protocols, however, is challenging—mainly because it is difficult to establish high-quality entangled states between two remote locations with high detection efficiency. Here we present an experimental system that allows for quantum key distribution in a fully device-independent setting. By achieving an event-ready atom-atom entanglement fidelity of F>0.892(23), we observe a significant violation of a CHSH Bell inequality of S=2.578(75)—above the classical limit of 2—and a quantum bit error rate of 0.078(9). For the implemented random key-bases protocol, this results in a secret key rate of 0.07 bits per entanglement generation event in the asymptotic limit, and thus demonstrates the system's capability to generate secret keys in a device-independent setting. The second topic is long-distance entanglement distribution over optical fibres, for which it is essential to operate at telecom wavelengths to overcome high attenuation losses. Most quantum system under active research, however, operate in the visible or near infrared. We employ polarization-preserving quantum frequency conversion in both nodes to transform the wavelength of the photons that are entangled with the atoms from 780 nm to the telecom S band. Enabled by an unprecedented external device conversion efficiency of 57% and minimal induced noise, we report on the observation of atom-photon and heralded atom-atom entanglement generated over telecom fibre links with a length up to 33 km. We analyse the entanglement fidelity for different fibre link lengths and show that for longer links the fidelity is mainly limited by atomic decoherence. The atom-atom entanglement is analysed only after receiving the heralding signal including a time delay to account for classical communication times between the nodes to simulate a realistic quantum network link scenario. The results presented in this thesis pave the way towards the ultimate form of quantum secure communications in future quantum networks and are a milestone on the road to realise long-distance quantum network links.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: quantum networks, entanglement distribution, atomic quantum memories, quantum key distribution, quantum frequency conversion
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 10. Mai 2023
• 1. Bericht­erstatter:in: Weinfurter, Harald