Title: Entanglement-based quantum communication over long-distance free-space links
Language: English
Authors: Herbst, Thomas 
Qualification level: Diploma
Keywords: Verschränkung; Quantenkommunikation; Quanteninformation
Entanglement; Quantum Communication; Quantum Information; Free-Space; Long-Distance
Advisor: Zeilinger, Anton
Issue Date: 2008
Number of Pages: 96
Qualification level: Diploma
Abstract: 
Quantum communication uses the laws of quantum physics to encode and decode information and hence provides much more efficient ways of communication than are classically possible. Additionally employing quantum entanglement offers access to a new domain of communication protocols, such as Quantum Dense Coding, Quantum Teleportation or Quantum Cryptography. Photonic realizations allow implementing quantum communication over long distances. To achieve quantum networking on a global scale, photonic free-space links via satellites are a promising future trend.
Entanglement-based quantum communication schemes rely on an efficient source of high-quality quantum-entangled photons. Over the last decade extensive effort has been put into the development and enhancement of highly efficient sources. Using spontaneous parametric down conversion (SPDC) in nonlinear crystals turned out to be the most successful method of creating polarization-entangled photon pairs. To date, periodically poled crystals allow collinear setups of very high brightness.
We present a highly efficient source of polarization-entangled photons whose performance in pair-production rate, phase stability and compactness by far exceeds that of previous approaches. The superior brightness and quality of entanglement of our source enabled us to cope with high link attenuation, thus allowing to bridge long free-space distances. We performed a proof-of-concept experiment between the Canary Islands of La Palma and Tenerife making use of the European Space Agency's (ESA) optical ground station (OGS). Therefore we used space hardware within a quantum communication free-space experiment. We successfully emulated conditions that are expected for a LEO-satellite down link and we faithfully transmitted a maximally quantum-entangled state over a long-distance free-space link of 144km. These results pave the way for first quantum communication experiments in space.

In der Quantenkommunikation werden die Gesetze der Quantenphysik genutzt um Information effizienter zu übertragen als dies klassisch möglich wäre. Die Verwendung von verschränkten Zuständen eröffnet die Möglichkeit völlig neuer Kommunikationsprotokolle wie Quantum Dense Coding, Quantum Teleportation oder Quantenkryptographie. Photonen als Informationsträger ermöglichen zusätzlich Quantenkommunikation über große Distanzen, mit dem zukünftigen Ziel ein satellitenbasiertes, globales Netzwerk zu errichten.
Systeme welche auf verschränkte Photonen basieren, benötigen eine effiziente Quelle für verschränkte Photonen von hoher Güte. In den vergangenen Jahren wurde viel Aufwand betrieben um hocheffiziente Quellen zu entwickeln und noch weiter zu verbessern. Die Verwendung des Effekts der spontanen, parametrischen, down-conversion (SPDC) in nichtlinearen Kristallen stellt eine sehr erfolgreiche Methode zur Erzeugung von polarisationsverschränkten Photonen dar. Systeme mit periodisch gepolten Kristallen erlauben dabei einen kollinearen Aufbau mit sehr hoher Ausbeute an verschränkten Photonen.
Wir präsentieren eine hocheffiziente Quelle für polarisationsverschränkte Photonen, welche vorherige Systeme bezüglich Paarerzeugungsrate, Phasenstabilität und Kompaktheit bei weitem übertrifft. Die hohe Güte unserer Quelle ermöglichte es uns die Übertragungsverluste für große Free-Space Entfernungen zu kompensieren.
In einem proof-of-concept Experiment zwischen den Kanarischen Inseln La Palma und Teneriffa verwendeten wir die optische Bodenstation (OGS) der Europäischen Raumfahrtbehörde (ESA) und damit Raumfahrttechnologie in Verbindung mit einem Free-Space Quantenkommunikationsexperiment. Wir emulierten die zu erwartenden Bedingungen für die Kommunikation mit einem LEO-Satelliten und übermittelten erfolgreich einen maximal verschränkten Bell-Zustand über eine Distanz von 144km durch turbulente Atmosphäre. Die erzielten Ergebnisse bereiten den Weg für erste Quantenkommunikationsexperimente im All.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-23360
http://hdl.handle.net/20.500.12708/11069
Library ID: AC05037482
Organisation: E141 - Atominstitut der Österreichischen Universitäten 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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