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Generation and Reconstruction of Propagating Quantum Microwaves

Ling Zhong

Published Jan 1, 2015• 0 citations
OpenAlex

Abstract

Propagating quantum microwaves are a key ingredient for quantum communication.A particular form of such quantum microwaves is squeezed states.In this work, we investigate squeezed states generated by Josephson parametric amplifiers (JPAs) with a dual-path setup.Squeezed coherent states can be generated by sending coherent states into a JPA.Alternatively, displacement operations can be performed using a directional coupler.We discuss our results in the context of remote state preparation and quantum teleportation. KurzzusammenfassungPropagierende Quantenmikrowellen sind Schlüsselbausteine für die Quantenkommunikation. Wir untersuchen gequetschte Zustände, die mit Josephson parametrischen Verstärkern (JPA) erzeugt werden, mit der Zweipfadmethode zur Zustandsrekonstruktion. Gequetschte kohärente Zustände können sowohl durch Einsenden eines kohärenten Signals in den JPA, als auch durch Anwenden einer Verschiebungsoperation auf einen gequestschten Vakuumzustand, generiert werden.Wir diskutieren unsere Ergebnisse im Rahmen von ferngesteuerter Zustandspräparation und Quantenteleportation.

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Propagating Quantum Microwaves: Dual-path State Reconstruction and Path Entanglement

E. P. Menzel

Propagating quantum microwaves are promising for quantum communication and information processing protocols. In this thesis, we reconstruct the state of quantum microwaves with the dual-path method based on a beam splitter, off-the-shelf linear amplifiers and cross-correlation signal recovery techniques. Furthermore, making use of non-classical squeezed states produced by a Josephson parametric amplifier, we generate and detect continuous-variable frequency-degenerate path entanglement.

•Jan 1, 2013•1 citation

Photons, space and time

Federico Pegoraro

In dieser Arbeit werden mehrere Implementierungen optischer Quantennetzwerke vorgestellt, die sowohl räumliches als auch zeitliches Multiplexing einsetzen, um Propagation zu realisieren, die als diskrete zeitliche Quantenirrfahrten (englisch: discrete time quantum walks) identifizierbar sind. Darüber hinaus befassen wir uns mit der Präparation der Photonzustände sowie deren Detektion. Je nach verwendetem System bestehen die Eingangszustände entweder aus kohärenten Lichtpulsen oder aus einzelnen Photonen, die durch einen parametrischen Fluoreszenzprozess (englisch: spontaneous parametric down-conversion) in einem dispersionsoptimierten, nichtlinearen Medium erzeugt werden. Für die Detektion kommen sowohl modenaufgelöste Klickdetektion als auch ein vollständig ausgestattetes Tomographie-Setup zum Einsatz. Sowohl pfad- als auch zeitkodierte Plattformen sind vollständig rekonfigurierbar und können ein großes optisches Interferometer realisieren, das ihre Ein- und Ausgabemoden umfasst. In der pfadkodierten Plattform wird dies durch thermische Phasenschieber und Richtkoppler in einem integrierten Bauteil erreicht, während das zeitmultiplexierte System schnell schaltende elektrooptische modulatoren nutzt, um dynamisch auf den Polarisationsraum einzuwirken. Mit der räumlich multiplexten Plattform wurde eine ressourceneffiziente Methode zur Systemprogrammierung demonstriert, die den Bedarf an Detektionseinheiten und zusätzlichen Komponenten reduziert, um Ein- und Zwei-Photonen-Evolutionen zu realisieren. Mit beiden Plattformen konnten verlustinduzierte Effekte in Quantenirrfahrten von zwei Photonen untersucht werden, die mit einer externen Umgebung gekoppelt sind. Darüber hinaus wurde mit der zeitkodierten Plattform die Verschränkungsfähigkeit von Quantenirrfahrten untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Dynamik der Irrfahrt, kombiniert mit messungsinduzierten Nichtlinearitäten, in der Lage ist, Verschränkung zwischen den Polarisationen zweier Photonen zu erzeugen, die sich ursprünglich in einem separablen Zustand befanden. Die volle Programmierbarkeit des zeitmultiplexierten Aufbaus wurde schließlich genutzt, um die erste direkte Implementierung eines zeitkodierten Quanten-CNOT-Gatters zu realisieren. Für dieses Gatter konnte eine Leistungsfähigkeit von ≈ 94% im Vergleich zum erwarteten Verhalten nachgewiesen werden. Abschließend wurde gezeigt, dass das zeitmultiplexierte Setup zur Implementierung eines Quanten-Schaltkreises mit Ein- und Zwei-Qubit-Gattern geeignet ist, der die vier Bell-Zustände erzeugt.

•Mar 18, 2026•0 citations

Markovian transport through few-level quantum systems

Christian Nietner

In der vorliegenden Dissertation wird der Markov’sche quantenmechanische Mastergleichungsansatz benutzt, um die Transporteigenschaften unterschiedlicher experimenteller Aufbauten zu untersuchen. Motiviert durch die Suche nach möglichen physikalischen Implementierungen die Quanteneigenschaften für zukünftigeMaschinen zur Quanteninformationsverarbeitung und Quantenkommunikation nutzbar machen können, untersuchen wir zunächst ein spezielles System aus Quantenpunkten, dass als Basis für solche Apparaturen dienen könnte. Bei der industriellen Produktion großflächiger Strukturen läßt sich jedoch das Auftreten ungewollter Defekte kaum vermeiden. Daher untersuchen wir speziell den Fall von elektronischem Transport durch zwei parallele Doppelquantenpunkte, die sowohl kapazitiv, als auch durch ein senkrecht zwischen ihnen liegendem Ladungsqubit gekoppelt sind. Dieses Ladungsqubit repräsentiert dabei einen ungewollten Defekt in einer regelmäßigen Struktur aus Doppelquantenpunkten, welcher die kohärenten Tunnelamplituden der Doppelquantenpunkte modifiziert. In der Folge, studieren wir den Einfluss des Qubits auf die stationären Ströme durch das System, die Verschränkung der Doppelquantenpunkte und deren Rückwirkung auf das Ladungsqubit. Ein Resultat dieser Untersuchung, ist die Beobachtung eindeutiger Signaturen des Ladungsqubits in den stationären Strömen. Zusätzlich finden wir, dass der stationäre Qubitzustand durch extern angelegte Spannungen justiert werden kann und sowohl reine Qubitzustände als auch reine, verschränkte Doppelquantenpunktzustände erzeugt werden können. Angeregt durch die eindrucksvollen Fortschritte in der Produktion und Manipulation kalter Atome und dem imbosonischen Fall auftretenden kritische Phänomen der Bose-Einstein Kondensation, untersuchen wir zusätzlich die Transporteigenschaften eines Aufbaus, bei dem Bäder aus ultrakalten bosonischen und fermionischen Teilchen an ein Quantensystem mit nur wenigen Energieniveaus gekoppelt sind. Umdas kritische Verhalten in den Bädern korrekt beschreiben zu können, leiten wir zunächst das temperatur- und dichteabhängige chemische Potential der Reservoire im großkanonischen Ensemble ab. Anschließend bestimmen wir die stationären Ströme durch das System unter Berücksichtigung dieser abhängigen chemischen Potentiale. Sowohl im Falle fermionischer als auch bosonischer Teilchen beobachten wir stationäre Ströme die gegen den externen Temperaturgradienten zwischen den Bädern fließen. Zur weiteren Charakterisierung dieser Ströme stellen wir das linearisierte Onsager-Gleichungssystem auf und berechnen die linearen Transportkoeffizienten. Diese Koeffizienten zeigen im Fall des bosonischen Transportes eindeutige Signaturen der Bose-Einstein-Kondensation.

•Mar 5, 2014•1 citation

Finite-time quantum correlations of propagating squeezed microwaves

Kirill G. Fedorov, Stefan Pogorzalek, U. Las Heras +13 more

Two-mode squeezing is a fascinating example of quantum entanglement manifested in cross-correlations of incompatible observables between two subsystems. At the same time, these subsystems themselves may contain no quantum signatures in their self-correlations. These properties make two-mode squeezed (TMS) states an ideal resource for applications in quantum communication, quantum computation, and quantum illumination. Propagating microwave TMS states can be produced by a beam splitter distributing single mode squeezing emitted from Josephson parametric amplifiers (JPA) into two output paths. In this work, we experimentally quantify the dephasing process of quantum correlations in propagating TMS microwave states and accurately describe it with a theory model. In this way, we gain an insight into quantum entanglement limits and predict high fidelities for benchmark quantum communication protocols such as remote state preparation and quantum teleportation.

•Mar 15, 2017•0 citations

Displacement of Propagating Squeezed Microwave States

Kirill G. Fedorov, Ling Zhong, Stefan Pogorzalek +16 more

Displacement of propagating quantum states of light is a fundamental operation for quantum communication. It enables fundamental studies on macroscopic quantum coherence and plays an important role in quantum teleportation protocols with continuous variables. In our experiments, we have successfully implemented this operation for propagating squeezed microwave states. We demonstrate that, even for strong displacement amplitudes, there is no degradation of the squeezing level in the reconstructed quantum states. Furthermore, we confirm that path entanglement generated by using displaced squeezed states remains constant over a wide range of the displacement power.

arXiv:1601.06697•Physical Review Letters•Jul 7, 2016•75 citations

Long-distance multipartite quantum communication

Herbst, Thomas

Die folgende Doktorarbeit beschreibt zwei Freiraumexperimente über große Distanzen basierend auf Multiphotonenverschränkung im Polarisationsfreiheitsgrad. Die angeführten Messungen wurden unter Verwendung eines 143 km langen horizontalen Quantenkanals durch die Erdatmosphäre zwischen den Kanarischen Inseln La Palma und Teneriffa durchgeführt. Basierend auf dem Superpositionsprinzip stellt die Quantenverschränkung den Schlüsselbaustein für das Gebiet der Quanteninformation dar. Ihre nichtklassischen Korrelationen sind die Grundvoraussetzung für spannende neue Protokolle wie etwa Quantenkryptographie, Quantenberechnungen oder Quantenteleportation. Unser erstes Experiment befasste sich mit der Teleportation von Verschränkung, auch Verschränkungsaustausch genannt. Dabei wird die Verschränkung von zwei Photonenpaaren 0-1 und 2-3 auf eine Verschränkung zwischen den Photonen 1-2 und 0-3 übertragen. Diese Eigenschaft stellt die fundamentale Ressource von sogenannten Quanten Repeater dar. Solche Geräte könnten in Zukunft verwendet werden um große Distanzen in kleinere Abschnitte zu unterteilen und schließlich die Verschränkung durch Verschränkungsaustausch über die gesamte Strecke auszudehnen. Im zweiten Experiment haben wir die Verschränkung von vier Photonen in Form eines GHZ-Zustandes gezeigt, benannt nach den Wissenschaftlern Daniel Greenberger, Michael Horne und Anton Zeilinger. Zwei Quellen für Polarisationsverschränkung in der Basisstation auf La Palma haben anhand von parametrischer Fluoreszenz des Lichts eines Femtosekundenlasers Photonenpaare mit 808 nm Wellenlänge erzeugt. In beiden Experimenten wurde pro Laserpuls jeweils eines von insgesamt vier Photonen über 143 km Luftlinie zur Empfängerstation nach Teneriffa gesendet. Die restlichen drei Photonen wurden lokal auf La Palma registriert. Für die Kompensation von langsamen atmosphärischen Turbulenzen im bodennahen Quantenkanal wurden die Teleskope anhand eines bidirektionalen geschlossenen Regelkreises kontinuierlich nachgeführt. Trotz einer mittleren Abschwächung von ca. 30 dB über den 143 km Quantenkanal haben wir mit einer statistischen Sicherheit von über 6 Standardabweichungen den Austausch der Verschränkung nachgewiesen. Weiters haben wir vier Photonen erfolgreich zu einem GHZ-Zustand verschränkt, wobei einer der vier Empfänger 143 km entfernt war. Der Austausch von Verschränkung sowie die Verschränkung mehrerer Photonen, wie etwa in einem GHZ-Zustand der Fall, bilden die Grundlage für die Verteilung von Verschränkung über große Distanzen sowie für die Verschränkung mehrerer Datenknoten miteinander. Unsere Ergebnisse beweisen die Realisierbarkeit dieser Protokolle im Lichte zukünftiger Anwendungen im Bereich der satellitenbasierten Quantenkommunikation und rücken die Vision eines weltumspannenden Quantennetzwerks näher.

•Jan 1, 2014•0 citations
Propagating quantum microwaves are a key ingredient for quantum communication.A particular form of such quantum microwaves is squeezed states.In this work, we investigate squeezed states generated by Josephson parametric amplifiers (JPAs) with a dual-path setup.Squeezed coherent states can be generated by sending coherent states into a JPA.Alternatively, displacement operations can be performed using a directional coupler.We discuss our results in the context of remote state preparation and quantum teleportation. KurzzusammenfassungPropagierende Quantenmikrowellen sind Schlüsselbausteine für die Quantenkommunikation. Wir untersuchen gequetschte Zustände, die mit Josephson parametrischen Verstärkern (JPA) erzeugt werden, mit der Zweipfadmethode zur Zustandsrekonstruktion. Gequetschte kohärente Zustände können sowohl durch Einsenden eines kohärenten Signals in den JPA, als auch durch Anwenden einer Verschiebungsoperation auf einen gequestschten Vakuumzustand, generiert werden.Wir diskutieren unsere Ergebnisse im Rahmen von ferngesteuerter Zustandspräparation und Quantenteleportation.
In dieser Arbeit werden mehrere Implementierungen optischer Quantennetzwerke vorgestellt, die sowohl räumliches als auch zeitliches Multiplexing einsetzen, um Propagation zu realisieren, die als diskrete zeitliche Quantenirrfahrten (englisch: discrete time quantum walks) identifizierbar sind. Darüber hinaus befassen wir uns mit der Präparation der Photonzustände sowie deren Detektion. Je nach verwendetem System bestehen die Eingangszustände entweder aus kohärenten Lichtpulsen oder aus einzelnen Photonen, die durch einen parametrischen Fluoreszenzprozess (englisch: spontaneous parametric down-conversion) in einem dispersionsoptimierten, nichtlinearen Medium erzeugt werden. Für die Detektion kommen sowohl modenaufgelöste Klickdetektion als auch ein vollständig ausgestattetes Tomographie-Setup zum Einsatz. Sowohl pfad- als auch zeitkodierte Plattformen sind vollständig rekonfigurierbar und können ein großes optisches Interferometer realisieren, das ihre Ein- und Ausgabemoden umfasst. In der pfadkodierten Plattform wird dies durch thermische Phasenschieber und Richtkoppler in einem integrierten Bauteil erreicht, während das zeitmultiplexierte System schnell schaltende elektrooptische modulatoren nutzt, um dynamisch auf den Polarisationsraum einzuwirken. Mit der räumlich multiplexten Plattform wurde eine ressourceneffiziente Methode zur Systemprogrammierung demonstriert, die den Bedarf an Detektionseinheiten und zusätzlichen Komponenten reduziert, um Ein- und Zwei-Photonen-Evolutionen zu realisieren. Mit beiden Plattformen konnten verlustinduzierte Effekte in Quantenirrfahrten von zwei Photonen untersucht werden, die mit einer externen Umgebung gekoppelt sind. Darüber hinaus wurde mit der zeitkodierten Plattform die Verschränkungsfähigkeit von Quantenirrfahrten untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Dynamik der Irrfahrt, kombiniert mit messungsinduzierten Nichtlinearitäten, in der Lage ist, Verschränkung zwischen den Polarisationen zweier Photonen zu erzeugen, die sich ursprünglich in einem separablen Zustand befanden. Die volle Programmierbarkeit des zeitmultiplexierten Aufbaus wurde schließlich genutzt, um die erste direkte Implementierung eines zeitkodierten Quanten-CNOT-Gatters zu realisieren. Für dieses Gatter konnte eine Leistungsfähigkeit von ≈ 94% im Vergleich zum erwarteten Verhalten nachgewiesen werden. Abschließend wurde gezeigt, dass das zeitmultiplexierte Setup zur Implementierung eines Quanten-Schaltkreises mit Ein- und Zwei-Qubit-Gattern geeignet ist, der die vier Bell-Zustände erzeugt.
In der vorliegenden Dissertation wird der Markov’sche quantenmechanische Mastergleichungsansatz benutzt, um die Transporteigenschaften unterschiedlicher experimenteller Aufbauten zu untersuchen. Motiviert durch die Suche nach möglichen physikalischen Implementierungen die Quanteneigenschaften für zukünftigeMaschinen zur Quanteninformationsverarbeitung und Quantenkommunikation nutzbar machen können, untersuchen wir zunächst ein spezielles System aus Quantenpunkten, dass als Basis für solche Apparaturen dienen könnte. Bei der industriellen Produktion großflächiger Strukturen läßt sich jedoch das Auftreten ungewollter Defekte kaum vermeiden. Daher untersuchen wir speziell den Fall von elektronischem Transport durch zwei parallele Doppelquantenpunkte, die sowohl kapazitiv, als auch durch ein senkrecht zwischen ihnen liegendem Ladungsqubit gekoppelt sind. Dieses Ladungsqubit repräsentiert dabei einen ungewollten Defekt in einer regelmäßigen Struktur aus Doppelquantenpunkten, welcher die kohärenten Tunnelamplituden der Doppelquantenpunkte modifiziert. In der Folge, studieren wir den Einfluss des Qubits auf die stationären Ströme durch das System, die Verschränkung der Doppelquantenpunkte und deren Rückwirkung auf das Ladungsqubit. Ein Resultat dieser Untersuchung, ist die Beobachtung eindeutiger Signaturen des Ladungsqubits in den stationären Strömen. Zusätzlich finden wir, dass der stationäre Qubitzustand durch extern angelegte Spannungen justiert werden kann und sowohl reine Qubitzustände als auch reine, verschränkte Doppelquantenpunktzustände erzeugt werden können. Angeregt durch die eindrucksvollen Fortschritte in der Produktion und Manipulation kalter Atome und dem imbosonischen Fall auftretenden kritische Phänomen der Bose-Einstein Kondensation, untersuchen wir zusätzlich die Transporteigenschaften eines Aufbaus, bei dem Bäder aus ultrakalten bosonischen und fermionischen Teilchen an ein Quantensystem mit nur wenigen Energieniveaus gekoppelt sind. Umdas kritische Verhalten in den Bädern korrekt beschreiben zu können, leiten wir zunächst das temperatur- und dichteabhängige chemische Potential der Reservoire im großkanonischen Ensemble ab. Anschließend bestimmen wir die stationären Ströme durch das System unter Berücksichtigung dieser abhängigen chemischen Potentiale. Sowohl im Falle fermionischer als auch bosonischer Teilchen beobachten wir stationäre Ströme die gegen den externen Temperaturgradienten zwischen den Bädern fließen. Zur weiteren Charakterisierung dieser Ströme stellen wir das linearisierte Onsager-Gleichungssystem auf und berechnen die linearen Transportkoeffizienten. Diese Koeffizienten zeigen im Fall des bosonischen Transportes eindeutige Signaturen der Bose-Einstein-Kondensation.
Two-mode squeezing is a fascinating example of quantum entanglement manifested in cross-correlations of incompatible observables between two subsystems. At the same time, these subsystems themselves may contain no quantum signatures in their self-correlations. These properties make two-mode squeezed (TMS) states an ideal resource for applications in quantum communication, quantum computation, and quantum illumination. Propagating microwave TMS states can be produced by a beam splitter distributing single mode squeezing emitted from Josephson parametric amplifiers (JPA) into two output paths. In this work, we experimentally quantify the dephasing process of quantum correlations in propagating TMS microwave states and accurately describe it with a theory model. In this way, we gain an insight into quantum entanglement limits and predict high fidelities for benchmark quantum communication protocols such as remote state preparation and quantum teleportation.
Displacement of propagating quantum states of light is a fundamental operation for quantum communication. It enables fundamental studies on macroscopic quantum coherence and plays an important role in quantum teleportation protocols with continuous variables. In our experiments, we have successfully implemented this operation for propagating squeezed microwave states. We demonstrate that, even for strong displacement amplitudes, there is no degradation of the squeezing level in the reconstructed quantum states. Furthermore, we confirm that path entanglement generated by using displaced squeezed states remains constant over a wide range of the displacement power.
Die folgende Doktorarbeit beschreibt zwei Freiraumexperimente über große Distanzen basierend auf Multiphotonenverschränkung im Polarisationsfreiheitsgrad. Die angeführten Messungen wurden unter Verwendung eines 143 km langen horizontalen Quantenkanals durch die Erdatmosphäre zwischen den Kanarischen Inseln La Palma und Teneriffa durchgeführt. Basierend auf dem Superpositionsprinzip stellt die Quantenverschränkung den Schlüsselbaustein für das Gebiet der Quanteninformation dar. Ihre nichtklassischen Korrelationen sind die Grundvoraussetzung für spannende neue Protokolle wie etwa Quantenkryptographie, Quantenberechnungen oder Quantenteleportation. Unser erstes Experiment befasste sich mit der Teleportation von Verschränkung, auch Verschränkungsaustausch genannt. Dabei wird die Verschränkung von zwei Photonenpaaren 0-1 und 2-3 auf eine Verschränkung zwischen den Photonen 1-2 und 0-3 übertragen. Diese Eigenschaft stellt die fundamentale Ressource von sogenannten Quanten Repeater dar. Solche Geräte könnten in Zukunft verwendet werden um große Distanzen in kleinere Abschnitte zu unterteilen und schließlich die Verschränkung durch Verschränkungsaustausch über die gesamte Strecke auszudehnen. Im zweiten Experiment haben wir die Verschränkung von vier Photonen in Form eines GHZ-Zustandes gezeigt, benannt nach den Wissenschaftlern Daniel Greenberger, Michael Horne und Anton Zeilinger. Zwei Quellen für Polarisationsverschränkung in der Basisstation auf La Palma haben anhand von parametrischer Fluoreszenz des Lichts eines Femtosekundenlasers Photonenpaare mit 808 nm Wellenlänge erzeugt. In beiden Experimenten wurde pro Laserpuls jeweils eines von insgesamt vier Photonen über 143 km Luftlinie zur Empfängerstation nach Teneriffa gesendet. Die restlichen drei Photonen wurden lokal auf La Palma registriert. Für die Kompensation von langsamen atmosphärischen Turbulenzen im bodennahen Quantenkanal wurden die Teleskope anhand eines bidirektionalen geschlossenen Regelkreises kontinuierlich nachgeführt. Trotz einer mittleren Abschwächung von ca. 30 dB über den 143 km Quantenkanal haben wir mit einer statistischen Sicherheit von über 6 Standardabweichungen den Austausch der Verschränkung nachgewiesen. Weiters haben wir vier Photonen erfolgreich zu einem GHZ-Zustand verschränkt, wobei einer der vier Empfänger 143 km entfernt war. Der Austausch von Verschränkung sowie die Verschränkung mehrerer Photonen, wie etwa in einem GHZ-Zustand der Fall, bilden die Grundlage für die Verteilung von Verschränkung über große Distanzen sowie für die Verschränkung mehrerer Datenknoten miteinander. Unsere Ergebnisse beweisen die Realisierbarkeit dieser Protokolle im Lichte zukünftiger Anwendungen im Bereich der satellitenbasierten Quantenkommunikation und rücken die Vision eines weltumspannenden Quantennetzwerks näher.