Multi-photon entanglement and applications in quantum information

Schmid, Christian (2008): Multi-photon entanglement and applications in quantum information. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Since the awareness of entanglement was raised by Einstein, Podolski, Rosen and Schrödinger in the beginning of the last century, it took almost 55 years until entanglement entered the laboratories as a new resource. Meanwhile, entangled states of various quantum systems have been investigated. Sofar, their biggest variety was observed in photonic qubit systems. Thereby, the setups of today's experiments on multi-photon entanglement can all be structured in the following way: They consist of a photon source, a linear optics network by which the photons are processed and the conditional detection of the photons at the output of the network. In this thesis, two new linear optics networks are introduced and their application for several quantum information tasks is presented. The workhorse of multi-photon quantum information, spontaneous parametric down conversion, is used in different configurations to provide the input states for the networks. The first network is a new design of a controlled phase gate which is particularly interesting for applications in multi-photon experiments as it constitutes an improvement of former realizations with respect to stability and reliability. This is explicitly demonstrated by employing the gate in four-photon experiments. In this context, a teleportation and entanglement swapping protocol is performed in which all four Bell states are distinguished by means of the phase gate. A similar type of measurement applied to the subsystem parts of two copies of a quantum state, allows further the direct estimation of the state's entanglement in terms of its concurrence. Finally, starting from two Bell states, the controlled phase gate is applied for the observation of a four photon cluster state. The analysis of the results focuses on measurement based quantum computation, the main usage of cluster states. The second network, fed with the second order emission of non-collinear type II spontaneous parametric down conversion, constitutes a tunable source of a whole family of states. Up to now the observation of one particular state required one individually tailored setup. With the network introduced here many different states can be obtained within the same arrangement by tuning a single, easily accessible experimental parameter. These states exhibit many useful properties and play a central role in several applications of quantum information. Here, they are used for the solution of a four-player quantum Minority game. It is shown that, by employing four-qubit entanglement, the quantum version of the game clearly outperforms its classical counterpart. Experimental data obtained with both networks are utilized to demonstrate a new method for the experimental discrimination of different multi-partite entangled states. Although theoretical classifications of four-qubit entangled states exist, sofar there was no experimental tool to easily assign an observed state to the one or the other class. The new tool presented here is based on operators which are formed by the correlations between local measurement settings that are typical for the respective quantum state.

Abstract

Fast 55 Jahre vergingen bis die Entdeckung des Phänomens der Verschränkung durch Einstein, Podolski, Rosen und Schrödinger Ende des zwanzigsten Jahrhunderts Einzug in die Labore hielt. Mittlerweile wurde eine Vielfalt von verschränkten Zuständen untersucht; die größte davon in Systemen photonischer Qubits. Alle modernen Experimente zu viel-Photonen Verschränkung lassen sich in drei wesentliche Bestandteile untergliedern: Eine Photonenquelle, ein Netzwerk aus linearen optischen Komponenten welches die Photonen verarbeitet, und eine bedingte Detektion der Photonen am Ausgang des Netzwerks. Die vorliegende Arbeit führt zwei neue Netzwerke ein und präsentiert deren Anwendungen in verschiedenen Problemstellungen der Quanteninformation. Als Photonenquelle dient hierbei der Prozeß der spontanen parametrischen Fluoreszenz in unterschiedlichen Konfigurationen. Das erste Netzwerk ist ein neuartiges Kontroll-Phasengatter das sich gegenüber früheren Realisierungen vor allem durch seine hohe Stabilität auszeichnet. Wie anhand mehrerer Beispiele gezeigt wird, eignet es sich besonders für den Einsatz in mehr-Photonen Experimenten. Mit Hilfe des Gatters werden alle vier Bell Zustände in einem Teleportations- und "entanglement swapping" Experiment unterschieden. Ein ähnlicher experimenteller Aufbau erlaubt ferner die direkte Messung der Verschränkung zweier Kopien eines Zustands in Form der "Concurrence". Ausgehend von zwei Bell Zuständen wird das Gatter darüberhinaus zur Beobachtung eines Vier-Photonen "Cluster Zustands" verwendet. Die Analyse der Ergebnisse konzentriert sich dabei auf die Hauptanwendung von Cluster Zuständen, das meßbasierte Quantenrechnen. Das zweite Netzwerk bildet, zusammen mit der Emission zweiter Ordnung der parametrischen Fluoreszenz als Input, eine einstellbare Quelle verschiedenster Zustände. Während die Beobachtung eines Zustands bisher einen individuell maßgeschneiderten Versuchsaufbau benötigte, können mit dem neuen Netzwerk viele verschiedene Zustände innerhalb desselben Aufbaus beobachtet werden. Dies erfordert lediglich die Veränderung eines einzelnen, leicht zugänglichen experimentellen Parameters. Die so erzeugten Zustände besitzen eine Reihe nützlicher Eigenschaften und spielen eine zentrale Rolle in vielen Anwendungen. Hier werden sie zur Lösung eines vier-Parteien Quanten "Minority" Spiels verwendet. Es wird gezeigt, dass die Quanten Version des Spiels durch den Einsatz von vier-Qubit Verschränkung sein klassisches Pendant an Möglichkeiten deutlich übertrifft. Mit Hilfe experimenteller Daten beider Netzwerke wird eine neue Methode der Unterscheidung vier-Qubit verschränkter Zustände vorgestellt. Obwohl theoretische Klassifizierungen verschränkter Zustände existieren, gab es bisher keine einfache experimentelle Methode einen beobachteten Zustand der einen oder anderen Klasse zuzuordnen. Das hier vorgestellte Konzept ermöglicht eine experimentelle Klassifizierung basierend auf Operatoren die aus zustandsabhängigen Korrelationsmessungen bestimmt werden.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Quantum Information, Photon, Entanglement
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 23. Juli 2008
• 1. Bericht­erstatter:in: Weinfurter, Harald