Spin-Photon Entanglement by Using a Single Optical Transition

Abstract

Spin-Photonen Verschraenkung stellt die Basis fuer zahlreiche Anwendungen in den Quantentechnologien dar, wie der Quantenkommunikation und von Quantenberechnungen. Vorschlaege zu Quantenberechnungen und Quantennetzwerken benoetigen hoch verschraenkte photonische Vielteilchen-Ressourcenzustaende und Quanten Emitter koennen verwendet werden um diese herzustellen, wenn Spin-Photonen Verschraenkung verwendet wird. Jedoch stellen die bisher vorgeschlagenen Methoden strenge Voraussetzungen an deren Energiezustaende und optischen Uebergaenge. In dieser Dissertation wird ein Protokoll praesentiert, um photonische Ressourcenzustaende herzustellen, welches die Voraussetzungen fuer den Emitter wesentlich lockert, wodurch die Methode fuer eine Reihe von moeglichen Photonenquellen verwendbar ist. Die Verbesserung wird durch Verwendung nur eines einzigen optischen Ueberganges erreicht und durch einen Wechsel in eine zeitliche Domaene. Ein unausgeglichenes Interferometer konvertiert das temporale photonische Qubit in eine Polarisationsbasis, die fuer Quantenlogik und Tomografie nuetzlich ist. Die Dissertation behandelt detailliert die experimentelle Realisierung des Hauptblockes des vorgeschlagenen Protokolls, das prinzipiell skalierbar ist, mit einem Stickstoff-Fehlstellenzentrum in Diamant. Verschraenkung zwischen dem Spin des Emitters und einem Fluoreszenz-Photon wird demonstriert, in der Form eines Bell-Zustandes. Unser Vorschlag weitet das Spektrum an Emittern, die geeignet sind um verschraenkte photonische Zustaende zu generieren und erlaubt eine Steigerung der Leistung fuer bekannte Quellen. Die Dissertationendet mit einem Ausblick in Richtung von Vielphotonen-Zustaenden.

Spin-photon entanglement provides the basis for numerous applications in quantum technology, including quantum communication and computing. Proposals for photonic quantum computation and quantum networks rely on highly entangled multipartite resource states, and using spin-photon entanglement, quantum emitters can be employed to produce such states. However, previously proposed methods placed stringent requirements on the energy level structure and optical transitions. In this thesis, a protocol to create photonic resource states is presented which significantly reduces the requirements placed on the emitter, thereby making the method suitable for a variety of candidate sources. The improvement is achieved by using only a single optical transition, and by working in the time domain. An unbalanced interferometer is then used to convert the temporal photonic qubit into the polarization basis, which is useful for quantum logic operations and tomography. The thesis details the experimental realization of the main unit of the proposed protocol, which is in principle scalable, on the nitrogen-vacancy centre emitter platform in diamond. Entanglement is shown between the spin of the emitter and a fluorescence photon in the form of a Bell state. Our proposal broadens the palette of emitters suitable for entangled photon state generation and permits to increase the performance of previously available sources. The thesis concludes with an outlook towards multi-photon state creation.