The nonlocal correlations of entangled systems are a feature inherent to quantum theory that is fundamentally at odds with our common-sense notions of realism and locality. Additionally, entanglement is an essential resource for numerous quantum communication protocols such as quantum teleportation and quantum dense coding, quantum cryptography, as well as quantum-enhanced metrological schemes and quantum computation. These quantum schemes allow for significant gains in performance over their classical counterparts, and a commercial implementation of protocols utilizing entangled photons thus seems likely in the foreseeable future. A key challenge to be addressed, in order to achieve a global-scale implementation of quantum-enhanced protocols, is the distribution of entanglement over long distances. While photons are in many ways ideal carriers of quantum information, their distribution over long distances is significantly impeded by losses. At present, loss in optical fiber links or atmospheric attenuation and obstructions of the line of sight in terrestrial free-space links limit the distribution of photonic entanglement to several hundred kilometers. Installing sources of photons with quantum correlations on space platforms would allow such distance limitations to be overcome. This would not only lead to the first global-scale implementation of quantum communication protocols, but would also create the opportunity for a completely new class of quantum experiments in a general relativistic framework. State-of-the-art laboratory sources of entangled photons are generally ill-suited for applications in harsh environments such as space, either owing to the use of bulky lasers, the requirement for active interferometric stabilization, or insufficient photon-pair-generation efficiency. Thus, an integral milestone for the experimental implementation of quantum communication protocols over satellite links is the development of robust, space-proof sources of entangled photons with high brightness and entanglement visibility. This thesis is intended to bridge laboratory experiments and real-world applications of quantum entanglement in harsh operational conditions. To this end, the main results of this thesis are: Highly efficient sources of polarization-entangled photons for the distribution of entanglement via long-distance free-space links. The sources are very robust and compact, and incorporate only components which are compliant with the severe requirements of space flight and operation. Optimization of spectral properties and fiber-coupling efficiency of photon pairs generated via spontaneous parametric down-conversion in bulk periodically poled potassium titanyl phosphate. The results of these studies are of great practical relevance for the development of an ultra-stable and efficient entangled photon source. Engineering and characterization of field-deployable polarization-entangled photon sources with high visibility (>99%) and record pair-detection rates (>3 million detected pairs per mW of pump power). As a result of the performance demonstrated, the sources developed have been incorporated into ongoing experiments, for example in quantum nanophotonics and quantum communications, and will provide an enabling tool for future real-world applications. Las correlaciones no locales de sistemas entrelazados son una característica inherente a la teoría cuántica que está fundamentalmente en desacuerdo con nuestra noción intuitiva de realismo y localidad. Además, el entrelazamiento es un recurso esencial en numerosos protocolos de comunicaciones cuánticas, como por ejemplo la teleportación cuántica o la criptografía cuántica, en esquemas metrológicos cuánticos y en computación cuántica. Todos estos esquemas cuánticos permiten mejoras significativas de rendimiento con respecto a sus homólogos clásicos, por lo tanto, parece previsible que en un futuro próximo veamos implementaciones comerciales de protocolos que utilicen fotones entrelazados. Un reto fundamental con el fin de lograr una implementación a escala global del entrelazamiento cuántico es su distribución a grandes distancias. A pesar de que los fotones son portadores ideales de información cuántica, su distribución a través de largas distancias está significativamente limitada por pérdidas. En la actualidad, las pérdidas introducidas por las fibras ópticas, la atenuación atmosférica, o la dificultad de obtener una línea de visión directa en enlaces terrestres limitan la distribución de entrelazamiento fotónico a varios cientos de kilómetros. La instalación de fuentes de fotones con correlaciones cuánticas en plataformas espaciales permitiría superar tales limitaciones de distancia. Esto no sólo daría lugar a la primera aplicación de protocolos de comunicación cuántica a escala mundial, sino que también daría la oportunidad de llevar a cabo un nuevo tipo de experimentos cuánticos en un marco de la relatividad general. Las fuentes de fotones entrelazados que podemos encontrar hoy en día en los laboratorios de óptica cuántica no están en general preparadas para ser usadas en entornos hostiles, como podría ser el espacio, ya sea por la utilización de láseres voluminosos, la necesidad de estabilizar interferómetros activamente o simplemente por tener una eficiencia insuficiente. Por lo tanto, un prerrequisito para lograr la implementación experimental de protocolos de comunicación cuántica a través de enlaces satelitales es el desarrollo de fuentes de fotones entrelazados que sean robustas, compatibles con operación espacial, y con alto brillo y visibilidad. En esta tesis se pretende conectar los experimentos de laboratorio en entrelazamiento cuántico y las aplicaciones en entornos operacionales desfavorables en el mundo real. Los principales resultados son: ¿ Fuentes de fotones entrelazados en polarización de alta eficiencia para la distribución de entrelazamiento a través de enlaces en espacio libre de larga distancia. Las fuentes son muy robustas y compactas, y utilizan únicamente componentes que son compatibles con estrictos requisitos de vuelo y operaciones espaciales. - Optimización de las propiedades espectrales y la eficiencia de acoplamiento a fibra monomodo de pares de fotones generados a través de spontaneous parametric down-conversion en titanil fosfato de potasio polarizado periódicamente. Los resultados de estos estudios son de gran importancia para el desarrollo de una fuente de fotones entrelazados ultra-estable y eficiente. - Desarrollo y caracterización de fuentes de fotones entrelazados en polarización con alta visibilidad (> 99%) y alto brillo (> 3 millones de pares detectados por mW de potencia de bombeo). Como resultado del rendimiento obtenido, las fuentes desarrolladas en esta tesis ya están siendo utilizadas en experimentos en curso, como por ejemplo en nanofotónica cuántica y en comunicaciones cuánticas, y serán un elemento esencial en futuras aplicaciones.
The nonlocal correlations of entangled systems are a feature inherent to quantum theory that is fundamentally at odds with our common-sense notions of realism and locality. Additionally, entanglement is an essential resource for numerous quantum communication protocols such as quantum teleportation and quantum dense coding, quantum cryptography, as well as quantum-enhanced metrological schemes and quantum computation. These quantum schemes allow for significant gains in performance over their classical counterparts, and a commercial implementation of protocols utilizing entangled photons thus seems likely in the foreseeable future. A key challenge to be addressed, in order to achieve a global-scale implementation of quantum-enhanced protocols, is the distribution of entanglement over long distances. While photons are in many ways ideal carriers of quantum information, their distribution over long distances is significantly impeded by losses. At present, loss in optical fiber links or atmospheric attenuation and obstructions of the line of sight in terrestrial free-space links limit the distribution of photonic entanglement to several hundred kilometers. Installing sources of photons with quantum correlations on space platforms would allow such distance limitations to be overcome. This would not only lead to the first global-scale implementation of quantum communication protocols, but would also create the opportunity for a completely new class of quantum experiments in a general relativistic framework. State-of-the-art laboratory sources of entangled photons are generally ill-suited for applications in harsh environments such as space, either owing to the use of bulky lasers, the requirement for active interferometric stabilization, or insufficient photon-pair-generation efficiency. Thus, an integral milestone for the experimental implementation of quantum communication protocols over satellite links is the development of robust, space-proof sources of entangled photons with high brightness and entanglement visibility. This thesis is intended to bridge laboratory experiments and real-world applications of quantum entanglement in harsh operational conditions. To this end, the main results of this thesis are: Highly efficient sources of polarization-entangled photons for the distribution of entanglement via long-distance free-space links. The sources are very robust and compact, and incorporate only components which are compliant with the severe requirements of space flight and operation. Optimization of spectral properties and fiber-coupling efficiency of photon pairs generated via spontaneous parametric down-conversion in bulk periodically poled potassium titanyl phosphate. The results of these studies are of great practical relevance for the development of an ultra-stable and efficient entangled photon source. Engineering and characterization of field-deployable polarization-entangled photon sources with high visibility (>99%) and record pair-detection rates (>3 million detected pairs per mW of pump power). As a result of the performance demonstrated, the sources developed have been incorporated into ongoing experiments, for example in quantum nanophotonics and quantum communications, and will provide an enabling tool for future real-world applications. Las correlaciones no locales de sistemas entrelazados son una característica inherente a la teoría cuántica que está fundamentalmente en desacuerdo con nuestra noción intuitiva de realismo y localidad. Además, el entrelazamiento es un recurso esencial en numerosos protocolos de comunicaciones cuánticas, como por ejemplo la teleportación cuántica o la criptografía cuántica, en esquemas metrológicos cuánticos y en computación cuántica. Todos estos esquemas cuánticos permiten mejoras significativas de rendimiento con respecto a sus homólogos clásicos, por lo tanto, parece previsible que en un futuro próximo veamos implementaciones comerciales de protocolos que utilicen fotones entrelazados. Un reto fundamental con el fin de lograr una implementación a escala global del entrelazamiento cuántico es su distribución a grandes distancias. A pesar de que los fotones son portadores ideales de información cuántica, su distribución a través de largas distancias está significativamente limitada por pérdidas. En la actualidad, las pérdidas introducidas por las fibras ópticas, la atenuación atmosférica, o la dificultad de obtener una línea de visión directa en enlaces terrestres limitan la distribución de entrelazamiento fotónico a varios cientos de kilómetros. La instalación de fuentes de fotones con correlaciones cuánticas en plataformas espaciales permitiría superar tales limitaciones de distancia. Esto no sólo daría lugar a la primera aplicación de protocolos de comunicación cuántica a escala mundial, sino que también daría la oportunidad de llevar a cabo un nuevo tipo de experimentos cuánticos en un marco de la relatividad general. Las fuentes de fotones entrelazados que podemos encontrar hoy en día en los laboratorios de óptica cuántica no están en general preparadas para ser usadas en entornos hostiles, como podría ser el espacio, ya sea por la utilización de láseres voluminosos, la necesidad de estabilizar interferómetros activamente o simplemente por tener una eficiencia insuficiente. Por lo tanto, un prerrequisito para lograr la implementación experimental de protocolos de comunicación cuántica a través de enlaces satelitales es el desarrollo de fuentes de fotones entrelazados que sean robustas, compatibles con operación espacial, y con alto brillo y visibilidad. En esta tesis se pretende conectar los experimentos de laboratorio en entrelazamiento cuántico y las aplicaciones en entornos operacionales desfavorables en el mundo real. Los principales resultados son: ¿ Fuentes de fotones entrelazados en polarización de alta eficiencia para la distribución de entrelazamiento a través de enlaces en espacio libre de larga distancia. Las fuentes son muy robustas y compactas, y utilizan únicamente componentes que son compatibles con estrictos requisitos de vuelo y operaciones espaciales. - Optimización de las propiedades espectrales y la eficiencia de acoplamiento a fibra monomodo de pares de fotones generados a través de spontaneous parametric down-conversion en titanil fosfato de potasio polarizado periódicamente. Los resultados de estos estudios son de gran importancia para el desarrollo de una fuente de fotones entrelazados ultra-estable y eficiente. - Desarrollo y caracterización de fuentes de fotones entrelazados en polarización con alta visibilidad (> 99%) y alto brillo (> 3 millones de pares detectados por mW de potencia de bombeo). Como resultado del rendimiento obtenido, las fuentes desarrolladas en esta tesis ya están siendo utilizadas en experimentos en curso, como por ejemplo en nanofotónica cuántica y en comunicaciones cuánticas, y serán un elemento esencial en futuras aplicaciones.
Non-classical correlations, usually referred as entanglement, are ones of the most studied and discussed features of Quantum Mechanics, since the initial introduction of the concept in the decade of 1930s. Even nowadays, a lot of efforts, both theoretical and experimental, are devoted in this topic, that covers many distinct areas of physics, such as a quantum computing, quantum measurement, quantum communications, solid state physics, chemistry and even biology. The fundamental tasks that one should consider related to the entanglement are: -How to create quantum entangled states. -How to maintain entanglement during propagation against sources of decoherence. -How to effectively detect it. -How to employ the benefits that entanglement offers. This thesis, divided into four chapters, concentrates on the first and last tasks considered above. In Chapter 1, a brief introduction and overview of what it is entanglement is given, starting with the famous paper of Einstein, Podolsky and Rosen, and continuing with John Bell's formulation of the so-called Bell's inequalities. We define here general concepts about entangled quantum states and introduce important entanglement measures, that are later used all over the thesis. In this chapter, sources of entangled particles (namely photons) are also mentioned. The importance is put on sources based on the nonlinear process of spontaneous parametric down-conversion. The last part of this chapter is then dedicated to a list of applications that benefit from the use of engangled states. Chapter 2 is devoted to the systematic study of the generation of entangled and non-entangled photon pairs in semiconductor Bragg reflection waveguides. Firstly, we present a source of photon pairs with a spectrally uncorrelated two-photon amplitude, achieved by a proper tailoring of the geometrical and material dispersions via structural design of waveguides. Secondly, Bragg reflection waveguides are designed in a scuh way, that results in the generation of spectrally broadband paired photons entangled in the polarization degree of freedom. Finally, we present experimental results of entangled photon pairs generation in this type of structures. In Chapter 3, we explore the feasibility of the generation of photon pairs entangled in the spatial degree of freedom, i.e. in the orbital angular momentum (OAM). Firstly, we examine how to create a highly multidimensional Hilbert space using OAM modes obtained in a chipred-poled nonlinear bulk crystals. Here, we show, how an increase of the chirp of the poling can effectively increase the Schmidt number by several orders of magnitude. Secondly, we investigate periodically poled silica glass fibres with a ring-shpaed core, that are capable to support the generation of simple OAM modes. The final Chapter 4 is dedicated to the Anderson localization and quantum random walks. At the beginning of this chapter, we present an experimental proposal for the realization of a discrete quantum random walks using the multi-path Mach-Zehnder interferometer with a spatial light modulator, that allows us to introduce different types of statistical or dynamical disorders. And secondly, we show how the transverse Anderson localization of partially coherent light, with a variable first-order degree of coherence, can be studied making use of entangled photon pairs. Las correlaciones cuánticas, normalmente conocidas como entanglement, son uno de los temas más estudiados y discutidos de la Mecánica Cuántica, desde la introducción del concepto en la década de 1930. Incluso hoy en día, una gran cantidad de esfuerzos, tanto teóricos como experimentales, se dedican en este tema, que cubre muchas áreas distintas de la física, tales como medición cuántica (quantum metrology), computación cuántica (quantum computing), comunicaciones cuánticas (quantum communications), física de estado sólido, química e incluso biología. Las tareas fundamentales de investigación que uno debe considerar en relación con entrelazamiento son: -Cómo crear estados cuánticos entangled. -Cómo mantener el entanglement durante la propagación, en contra de las fuentes que pueden crear de-coherencia. -Cómo emplear los beneficios que el entanglement ofrece. Esta tesis, dividida en cuatro capítulos, se centra en la primera y últimas tareas consideradas. En el capítulo 1, se da una breve introducción y una visión general de lo que es el entrelazamiento (entanglement), empezando por el famoso artículo de Einstein, Podolosky y Rosen, y continuando con la formulación de John Bell de las llamados desigualdades de Bell. Definimos aquí conceptos generales acerca de los estados cuánticos enrelazados e introducimos algunas medidas de entrelazamiento importantes, que se utilizan posteriormente a lo largo de toda la tesis. En este capítulo, algunas fuentes de partículas entrelazadas (fotones) se mencionan brevemente. La importancia se pone en fuentes basadas en el proceso no lineal de generación paramétrica espontánea (SPDC, Spontaneous Parametric Down Conversion). La última parte de este capítulo está dedicado a mencionar algunas aplicaciones que se benefician de la utilización de estados entrelazados. El capítulo 2 se dedica al estudio sistemático de la generación de pares de fotones entrelazados, o no, en guías semiconductores de tipo Bragg. En primer lugar, se presenta una fuente de pares de fotones espectralmente no correlacionados, lo que se puede conseguir utilizando la geometría adecuada y la adecuada dispersión del material, a través del diseño estructural de las guías de onda. En segundo lugar, las guías de onda de Bragg se diseñan de manera que dan como resultado la generación de pares de fotones entrelazados en el grado de libertad de polarización con un ancho de banda grande. Finalmente, se presentan resultados experimentales de pares de fotones generados en este tipo de estructuras. En el capítulo 3, se explora la viabilidad de la generación de pares de fotones entrelazados en el grado espacial de libertad, es decir, en el momento angular orbital (OAM). En primer lugar, se investiga cómo crear un espacio de Hilbert altamente multidimensional utilizando modos OAM Para ello se ahce uso de materiales no lineales con chirped-qausi-phase-matching. Aquí mostramos cómo un aumento del chirp puede aumentar efectivamente el número de Schmidt en varios órdenes de magnitud. En segundo lugar, se investiga como fibras de vidrio con un núcleo en forma de anillo son capaces de generar y propagar los modos con OAM más simples. El Capítulo 4 se dedica a la localización Anderson y a los llamados paseos aleatorios cuánticos (Quantum random walks). En primer lugar se presenta una propuesta experimetnal para la realización de un paseo aleatorio discreto cuántico utilizando un interferómetro MAch-Zehnder con un modulador espacial de luz, que nos permite introducir diferentes tipos de ruido con diferentes tipos de estadística. En segundo lugar, se muestra cómo la localización transveral Anderson de luz parcialmente coherente se puede estudiar haciendo uso de pares de fotones entrelazado
En esta Tesis se presentan los resultados de implementaciones ópticas de algoritmoscuánticos, orientadas a protocolos de comunicación y procesamiento cuántico de la información. En particular, se estudiaron algoritmos cuánticos basados en entrelazamiento y se analizó la interacción del sistema cuántico en cuestión con distintos entornos ruidosos. Estas investigaciones se realizaron en forma mixta, tanto experimental como teórica, contemplando etapas de interacción del sistema con entornos controlados. Se realizaron experimentos de teleportación cuántica y distribución cuántica de claves (QKD), con el propósito de ganar experiencia en la manipulación y control de sistemas cuánticos. A partir de estos experimentos, se demostraron algoritmos eficientes y robustos ante entornos ruidosos que generan decoherencia en el recurso entrelazado. Para llevar a cabo estos experimentos, se desarrolló una fuente de pares de fotones entrelazados en polarización, basada en el proceso de conversión paramétrica descendente. La utilización de fotones como recurso físico permite la codificación de qubits en diversos grados de libertad de los mismos. En los experimentos realizados en esta Tesis, a partir de un único fotón se codificaron dos qubits en los grados de libertad de polarización y momento lineal del mismo. Para representar la interacción del sistema con un entorno local, se utilizaron los dos grados de libertad de polarización y camino para representar el sistema y el entorno, respectivamente. Estas interacciones se producen en arreglos experimentalesbasados en óptica lineal. Los arreglos experimentales diseñados e implementados permitieron un estudio versátil de los distintos protocolos propuestos, y un control sistemático de los entornos. Se estudiaron las condiciones para las cuales la dinámica del sistema era robusta frente al ruido y la acción del mismo sobre el desempeño de estos protocolos. En particular se realizó un estudio de la eficiencia del protocolo de teleportación bajo distintos tipos e intensidades de interacción con un entorno, pudiendo obtener condiciones para las cuales el sistema presenta baja sensibilidad a ciertos tipos de ruido. Asimismo, para el caso de distribución cuántica de claves, la interacción del sistema con el entorno nos permitiómodelar la acción de un espía y estudiar la seguridad de protocolos de QKD. La evolución de los sistemas cuánticos inducida por la interacción con entornos locales genera decoherecia, afectando el grado de entrelazamiento inicial y su utilización como recurso cuántico. Se estudiaron entonces distintas condiciones de ruido cuántico y su efecto sobre el entrelazamiento de un sistema, obteniendo una relación entre la "muerte del entrelazamiento" y canales efectivos capaces de romper completamente el entrelazamiento, para sistemas de dos qubits. Estos resultados permitieron anticipar qué estados pueden sufrir muerte del entrelazamiento o no para una dada evolución. Conocer de antemano el estado inicial y/o el canal cuántico que afecta el recurso entrelazado permite elegir demanera óptima los parámetros necesarios para un procesamiento cuántico eficiente de la información. La base de todos los experimentos realizados es una fuente de pares de fotones entrelazados y un arreglo óptico confiable y versátil basado en óptica lineal. El control sobre los estados fotónicos generados se realiza interferométricamente y en polarización. El dominio de estas técnicas de control de estados cuánticos es un resultado en sí mismo y el arreglo experimental desarrollado se presenta como una plataforma robusta para el estudio de la dinámica de procesos cuánticos. A modo de síntesis, entendemos que en el desarrollo de esta Tesis de Doctorado secumplieron los dos objetivos propuestos: por un lado estudiar la influencia de procesos de decoherencia e interacción con entornos en la eficiencia de algoritmos de información cuántica y por otro desarrollar herramientas ópticas para el estudio e implementación eficiente de estos algoritmos.
En esta tesis se presentan los resultados de una serie de experimentos opticos en los que se ejecutan algoritmos de comunicaciones cuanticas para realizar Distribucion Cuantica de Claves(DCC) criptograficas con estados coherentes de muy baja intensidad. Especificamente, se estudia la implementacion de esquemas practicos y robustos de DCC, con especial interes en sistemas basados en fibra optica. A diferencia de las comunicaciones por aire, este medio permite transmitir estados cuanticos con bajisimas atenuaciones y minimas perturbaciones externas, utilizando instrumental comercialmente disponible y de bajo costo, incluso para distancias de decenas de kilometros. Los protocolos de DCC estudiados codifican informacion clasica (bits) en estados cuanticos preparados sobre distintos grados de libertad discretos de sistemas fisicos. En el trabajo se exploran implementaciones que explotan la polarizacion y los modos temporales discretos de luz (time-bin). En ambos casos, fue necesario desarrollar y familiarizarse con tecnologias especificas para la preparacion, transmision y deteccion de dichos estados cuanticos. El problema de transmitir estados cuanticos en fibra de forma eficiente y robusta se ataco con dos estrategias. Por un lado, utilizando el grado de libertad de polarizacion y, por otro, modos temporales discretos de luz. En el primer caso, se codificaron los estados en el grado de libertad de polarizacion, que es facilmente accesible. Sin embargo, este es muy sensible a perturbaciones, por lo que para asegurar la robustez se incorporo un sistema de estabilizacion activa del Estado de Polarizacion(SOP, por su sigla en ingles). Con este esquema se implementaron dos variantes de un protocolo clasico de DCC, llamado BB84, utilizando la polarizacion de pulsos de luz para codificar los estados cuanticos. Esto requirio el desarrollo de una fuente de pulsos tenues de luz basada en un laser DFB en el rango de las telecomunicaciones, con un modulador de intensidad externo por electroabsorcion. Se diseno un sistema de estabilizacion de la polarizacion robusto que permite compensar de forma automatica las perturbaciones que genera la birrefringencia de la fibra sobre el estado de polarizacion. El sistema esta basado en controladores de polarizacion comerciales y electronica de control disenada especificamente, y puede ser adaptado facilmente a cualquier protocolo de comunicacion por fibra. En este sentido, se realizo una implementacion del protocolo BB84 y una variante llamada BB84E, que requiere la utilizacion de los seis estados de un conjunto completo de bases mutuamente no sesgadas para la polarizacion. En el segundo caso, se ensayo una codificacion mas sofisticada y resistente a perturbaciones, que implico enfrentar una serie de desafios tecnologicos, pero que se presenta como una alternativa practica y escalable en distancia de transmision y velocidad. Se propuso un esquema hibrido de DCC basado en un protocolo de referencia de fase distribuida con comunicacion bidireccional (Plug & Play), ambas tecnologias desarrolladas para trabajar especificamente en fibra optica, en un esquema con economia de recursos y distribucion tipo servidor-cliente. Asi, se obtuvo una configuracion en donde tanto el instrumental como las operaciones sobre los estados mas sensibles del protocolo se encuentran concentradas en una de las partes (servidor), mientras que los requerimientos sobre la otra parte involucrada en la comunicacion son minimos. Esta alternativa combina diferentes caracteristicas deseables en una implementacion practica de DCC, como la simplicidad y la robustez. El esquema propuesto codifica estados cuanticos en modos temporales discretos de luz. Esto requirio el desarrollo de dispositivos especificos para preparar y medir estos estados, basados en interferometros de fibra optica que no demanden estabilizacion activa. Otra de las premisas fue la independencia de funcionamiento del estado de polarizacion, que se logra a partir de la incorporacion de rotadores de Faraday en diferentes partes del esquema empleado. Por ultimo, debido al tipo de codificacion y al sistema de sincronizacion utilizados, este esquema es adaptable a tasas de transmision en el rango de los MHz. De los experimentos de DCC mencionados se desprenden una serie de desarrollos y pruebas de laboratorio adicionales, que son relevantes por si mismos. Entre ellos figuran la estabilizacion activa de interferometros de Mach-Zehnder en fibra y el estudio de esquemas experimentales alternativos para el protocolo hibrido de DCC propuesto. Tambien se puede destacar la puesta a punto de un prototipo autonomo de DCC en aire y su adaptacion para obtener un protocolo que distingue mezclas computables (pseudoaleatorias) de estados cuanticos. Este es un tema de interes para el procesamiento cuantico de la informacion en general. Las tecnicas abordadas y el know-how adquirido permiten entender y superar distintos problemas particulares de la utilizacion de estados cuanticos en comunicaciones por fibra optica. Ademas, estos desarrollos tienen la capacidad de ser empleados tanto en ensayos de DCC que excedan el ambito del laboratorio, como en un contexto mas amplio que permita implementar otros protocolos de comunicacion cuantica usando fibras opticas de telecomunicaciones como canal cuantico.
Photonic entanglement is a fundamental resource in quantum information processing and its distribution between distant parties is a key challenge in quantum communications. Optical satellite links allow transmitting entangled photons over longer distances than currently possible on ground and could provide a path towards global quantum communication networks. The majority of current photonic free-space quantum communication systems, including two recent quantum satellite experiments, use two-dimensional polarization encoding, where each photon can carry at most a single bit of quantum information. Encoding additional qubits in the high-dimensional spatio-temporal degrees of freedom could not only increase channel capacities but also improve robustness with respect to noise and eavesdropping in quantum cryptography. Here, we give an overview of our efforts towards exploiting high-dimensional entanglement in long-distance free-space quantum communications. We report on the results of a first feasibility study, in which we used polarization / energy-time hyperentanglement to increase the dimensionality of the state space and transmit genuine 4-dimensional entanglement via an intra-city free-space link. We discuss how we intend to extend this approach to applications in noise-tolerant large-alphabet quantum key distribution via free-space links, and, ultimately, experiments with satellites.
(English) The future quantum Internet will allow the transfer of quantum states between remote locations. However, bridging large distances is a challenging task due to losses in optical fibres. A promising approach to reach continental distances is based on quantum repeaters, where quantum entanglement is created and distributed between distant quantum memories in a heralded fashion. Such a heralding signal should be compatible with the already deployed telecommunication infrastructure, i.e. it should consist of quantum states of light in the telecommunication regime travelling through optical fibres. On top of this, a multiplexed operation will largely reduce the entanglement generation time. The specific approach followed in this thesis consists of a hybrid system that combines sources of telecom heralded single photons and multimode solid-state quantum memories based on rare-earth doped crystals. The objective of this thesis is the distribution of quantum states along remote distances, either by storing one qubit in one quantum memory for long enough while the heralding photon travels through a telecom fibre, by teleporting an arbitrary qubit onto a distant matter qubit or by creating entanglement between remote quantum memories. Thanks to the intrinsic temporal multimodality of our system, the repetition rate of these experiments is decoupled from the distance being bridged. The core of my efforts consisted on building and operating telecom heralded single photon sources based on cavity enhanced spontaneous parametric down conversion (cSPDC). I was also involved on conceiving and implementing several enabling technologies to allow for the creation, distribution and verification of quantum states. In a first project it was possible to generate energy-time entangled photon pairs by increasing the coherence time of the laser used to pump the cSPDC source. We then stored one of the photons for up to 47.7us in a spin wave Praseodymium doped quantum memory with on-demand read out. The entanglement between the telecom photon and the stored photon was successfully verified in all the explored scenarios using the Franson scheme. For this purpose, I built and stabilized a fibre-based unbalanced Mach-Zehnder interferometer with a length difference between arms of 85m. In a second experiment we performed multiplexed quantum teleportation from the telecom photon to the solid-state memory. We took advantage of the telecom wavelength featured by one of the energy-time entangled qubits and we sent it through a 1km long optical fibre. After travelling through that distance it was jointly measured with a second qubit. The state of that second qubit was then teleported onto the quantum memory that was initially storing the second entangled qubit. The storage time was enough to allow for further processing of the teleported state, which consisted of a unitary transformation based on the result of the remote joint measurement. Finally, in a third experiment we generated telecom heralded entanglement between remote solid-state multimode quantum memories. I first worked on the indistinguishability of the photon pairs produced by two cSPDC sources. I then mixed the generated telecom qubits in a beam splitter (BS) such that a detection event after this BS heralded the creation of entanglement between the two quantum memories in the photon number basis. This way of creating entanglement, together with its verification, is sensitive to the relative phase of the qubits interfering at the BSs. Along these lines, I also worked on stabilizing the length of the optical fibres involved in this experiment, which in the end consisted of a ~75m long interferometer. These results represent the state of the art in terms of scalability for quantum repeaters using multimode memories and show that our system has a huge potential to enable the creation and transfer of quantum states over large distances. (Español) El futuro Internet cuántico permitirá transmitir estados cuánticos entre localizaciones remotas. Sin embargo, alcanzar largas distancias es una tarea complicada debido a pérdidas en las fibras ópticas. Un método prometedor para alcanzar distancias continentales se basa en repetidores cuánticos, donde entrelazamiento cuántico se crea y distribuye entre memorias cuánticas (MCs) distantes de forma anunciada. Dicha señal de anuncio debe ser compatible con la ya instalada infraestructura de telecomunicaciones; es decir, debería consistir en estados cuánticos de luz en el rango de las telecomunicaciones (RTel) viajando a través de fibras ópticas. Además, trabajar de forma multiplexada reducirá significativamente el tiempo de creación de entrelazamiento. En concreto, el método seguido en esta tesis consiste en un sistema híbrido que combina fuentes de fotones únicos anunciados en el RTel y MCs multimodales de estado sólido, basadas en cristales dopados con tierras raras. El objetivo de esta tesis es distribuir estados cuánticos a lo largo de distancias remotas, ya sea almacenando un qubit en una MC durante suficiente tiempo mientras el fotón anunciador viaja a través de fibra óptica, teleportando un qubit arbitrario a un qubit material distante o bien creando entrelazamiento entre MCs remotas. Gracias a la multimodalidad temporal intrínseca de nuestro sistema, la tasa de repetición de estos experimentos no depende de la distancia a cubrir. Mis esfuerzos se centraron en construir y operar fuentes de fotones individuales anunciados en el RTel, basadas en conversión paramétrica descendente espontánea mejorada por cavidad (CPDEc). También trabajé en concebir e implementar varias tecnologías que permitieron la creación, distribución y verificación de estados cuánticos. En un primer trabajo, fue posible generar parejas de fotones entrelazados en energía-tiempo gracias a haber aumentado el tiempo de coherencia del láser que usamos para bombear la fuente CPDEc. Almacenamos uno de los fotones hasta 47.7 us en una MC bajo demanda basada en onda de espín, dopada con Praseodimio. Verificamos el entrelazamiento en todos los escenarios explorados usando el esquema de Franson. Para ello, construí y estabilicé un interferómetro Mach-Zehnder, hecho de fibra óptica y con una diferencia de longitud entre sus brazos de 85 m. En un segundo experimento realizamos teleportación cuántica multimodal desde un fotón en el RTel a una MC. Nos aprovechamos de la longitud de onda en las telecomunicaciones de uno de los fotones entrelazados y lo mandamos a través de una fibra óptica de 1 km. Tras viajar esa distancia lo medimos conjuntamente con un segundo qubit. El estado de ese segundo qubit fue teleportado a la MC que almacenaba el segundo qubit entrelazado. El tiempo de almacenamiento fue suficiente para poder procesar el estado teleportado a través de una transformación unitaria basada en el resultado de la medición conjunta remota. Finalmente, en un tercer experimento generamos entrelazamiento entre MCs multimodales, de estado sólido a través de un anuncio en el RTel. Primero, me centré en hacer indistinguibles los fotones producidos por las fuentes CPDEc. Luego, pude combinar los qubits de telecomunicaciones en un divisor de haz (DH) de forma que la detección de un fotón después del DH anunciaría la creación de entrelazamiento entre las MCs en la base número de fotones. Este método para crear entrelazamiento, junto con su verificación, es sensible a la fase relativa de los qubits que interfieren en los DsH. Por ello, tuve que trabajar en estabilizar la longitud de las fibras ópticas involucradas que formaban un interferómetro de 75 m de longitud. Estos resultados representan el estado del arte en términos de escalabilidad en repetidores cuánticos que usan MCs multimodales y muestran que nuestro sistema tiene gran potencial para crear y transferir estados cuánticos a través de largas distancias.