High dimensional time-bin entanglement for quantum networks

Abstract

Hochdimensionale Zeit-Bin-Verschränkung ist eine vielversprechende Ressource für Quantennetzwerke, da sie die Robustheit zeitlicher photonischer Kodierung mit der erhöhten Informationskapazität und Rauschtoleranz hochdimensionaler Quantenzustände verbindet. Im Vergleich zu konventionellen qubitbasierten Schemata kann hochdimensionale Verschränkung die pro detektiertem Photonenpaar übertragene Information erhöhen und die Leistungsfähigkeit in den verlust- und rauschbegrenzten Regimen verbessern, die für Quantenkommunikation über große Distanzen relevant sind. Die Zeit-Bin-Kodierung ist besonders attraktiv, da sie mit derÜbertragung in optischen Fasern und Freiraumkanälen kompatibel ist, während derPropagation keine Polarisationsstabilität erfordert und sich mit ausgereiften photonischen und interferometrischen Technologien implementieren lässt. Die praktische Nutzung wird jedoch durch die Schwierigkeit skalierbarer Messungen sowie durch die Notwendigkeit systematischer Optimierung zeitlicher Kodierung unterrealistischen experimentellen Bedingungen eingeschränkt.Diese Dissertation entwickelt einen Rahmen für die Erzeugung, Messung, Analyse und Verteilung hochdimensionaler Zeit-Bin-Verschränkung für Quantennetzwerke. Die Arbeit verwendet eine skalierbare Messarchitektur, die auf einem einzel-nen unbalancierten Interferometer basiert, das Kohärenzen zwischen benachbarten Zeit-Bins sondiert und dadurch lange oder kaskadierte Interferometer vermeidet,die bei hoher Dimension zunehmend instabil werden. Mit faserintegrierten Komponenten implementiert, stellt dieser Ansatz eine netzwerkkompatible Plattform für hochdimensionale Quantenkommunikation bereit. Innerhalb dieses Rahmens werden kontinuierlich gepumpte und gepulste Quellen spontaner parametrischer Abwärtskonversion untersucht, um zu bestimmen, wie Quellcharakteristika, zeitlicher Detektorjitter und zeitliche Diskretisierung gemeinsam die Qualität der Verschränkung bestimmen.Ein zentrales Ergebnis ist, dass die zeitliche Diskretisierung nicht lediglich ein nachgelagerter Verarbeitungsschritt ist, sondern ein definierendes Element des physikalischen Protokolls darstellt. Die Zeit-Bin-Breite, die Frame-Konstruktion und die zeitliche Filterung beeinflussen direkt den Erhalt von Koinzidenzen, die Messvisibilität, die Qualität der Verschränkung und die sichere Kommunikationsrate. Um dies zu adressieren, werden sequentielle Zeit-Bin-Frames mit Guard-Window-Filterung eingeführt und systematisch analysiert. Für die kontinuierlich gepumpte Quelle ist ein von null verschiedenes Guard Window erforderlich, umdurch Jitter verursachte Fehlzuordnungen von Zeit-Bins zu unterdrücken und die Leistungsfähigkeit zu maximieren. Für die gepulste Quelle reduziert die durch den Pump definierte zeitliche Struktur bereits Randfehler, wodurch die Leistungsfähigkeit weniger empfindlich gegenüber der Dauer des Guard Windows wird. In beiden Fällen verbessert eine Erhöhung der Kodierungsdimension die pro detektiertem Photonenpaar gewonnene Information, wobei Dimensionen bis zu d = 64klare Vorteile gegenüber qubitbasierter Kodierung bieten.Um dieses Verhalten zu erklären und vorherzusagen, wird ein einheitliches,dimensionsunabhängiges Modell entwickelt, das das Emissionsprofil der Quelle mit der experimentell gemessenen zeitlichen Antwort der Detektoren kombiniert.Das Modell reproduziert die beobachteten Einzelzählraten, Koinzidenzwahrscheinlichkeiten und Visibilitäten sowohl für kontinuierlich gepumpten als auch für gepulsten Betrieb auf wenige Prozent genau und ermöglicht eine a priori-Optimierungder Diskretisierungs- und Filterparameter. Dies stellt ein prädiktives Werkzeugbereit, um hochdimensionale zeitliche Kodierung an unterschiedliche Betriebsbedingungen anzupassen, anstatt sich nur auf empirische Feinabstimmung zu stützen.Im Hinblick auf feldimplementierbare hochdimensionale Quantenkommunikation untersucht diese Dissertation außerdem, wie zeitliche Kodierung unter realistischen Kanalverlusten optimiert werden sollte. Unter Verwendung einer kontinuierlich gepumpten SPDC-Quelle und unbalancierter interferometrischer Messungen werden Quellhelligkeit, Kodierungsdimension und zeitliches Guard Window gemeinsam anhand experimentell gemessener Koinzidenzstatistiken optimiert. Über einen programmierbaren Verlustdurchlauf hinweg werden 270 Parameterkonfigurationen ausgewertet, indem Pumpstrom, Dimension und Guard-Window-Dauer variiert werden. Die Ergebnisse zeigen unterschiedliche verlustabhängige Regime: Bei geringerem Verlust liefert hochdimensionale Kodierung den dominanten Gewinn und das Optimum bevorzugt größere Dimensionen wie d = 32, während sich das Optimum bei höherem Verlust zu hellerem Betrieb, kleineren Dimensionen undendlichen Guard Windows verschiebt, die zeitbezogene Fehler unterdrücken.Mit diesen verlustadaptiven Betriebspunkten wird hochdimensionale Zeit-Bin-Verschränkung über Faserspulenverbindungen großer Distanz mit komponierbarersicherer Schlüsselratenauswertung verteilt. Für die 100 km-Konfiguration erreicht der vollständig optimierte Betriebspunkt eine Schlüsselrate von 8.64 × 103 Hz beid = 32 und g = 10 ps und übertrifft die beste pumpoptimierte Qubit-Referenz ohne Guard-Window-Filterung um einen Faktor von 3.72. Für die 150 km-Konfiguration,mit Kanalverlusten nahe 36 dB, verschiebt sich das Optimum zu d = 4 undg = 10 ps, ergibt 4.1×102 Hz und eine Verbesserung um den Faktor 7.45 gegenüber der entsprechenden Qubit-Referenz. Diese Ergebnisse etablieren verlustoptimiertezeitliche Kodierung als einen praktikablen Weg zur Verteilung hochdimensionaler Verschränkung über große Distanzen und zur sicheren Quantenkommunikation unter realistischen Netzwerkbedingungen.Insgesamt etabliert diese Dissertation hochdimensionale Zeit-Bin-Verschränkung als eine praktische und skalierbare Ressource für Quantennetzwerke. Sie stellt Werkzeuge für den Entwurf netzwerkkompatibler zeitlicher Kodierungsschemata bereit, zeigt, wie quellenabhängige und verlustabhängige Optimierung die Leistungsfähigkeit signifikant verbessern kann, und demonstriert, dass hochdimension-ale Zeit-Bin-Verschränkung mit komponierbarer Sicherheit über lange Faserverbindun-gen verteilt und genutzt werden kann. Diese Ergebnisse tragen zu robusten photonischen Quantennetzwerken bei, in denen hochdimensionale zeitliche Kodierungsichere Kommunikation, Verschränkungsverteilung und vernetzte Quanteninformationsverarbeitung unterstützen kann.

High-dimensional time-bin entanglement is a promising resource for quantum networks because it combines the robustness of temporal photonic encoding with the enhanced information capacity and noise tolerance of high-dimensional quantum states. Compared with conventional qubit-based schemes, high-dimensional entanglement can increase the information carried per detected photon pair and improve performance in the loss- and noise-limited regimes relevant to long-distance quantum communication. Time-bin encoding is particularly attractive because it is compatible with optical fiber and free-space transmission, does not require polarization stability during propagation, and can be implemented using mature photonic and interferometric technologies. However, practical deployment is limited by the difficulty of scalable measurements and by the need for systematic optimization of temporal encoding under realistic experimental conditions.This thesis develops a framework for the generation, measurement, analysis, and distribution of high-dimensional time-bin entanglement for quantum networks. The work uses a scalable measurement architecture based on a single unbalanced interferometer that probes coherence between neighboring time bins, avoiding the long or cascaded interferometers that become increasingly unstable at high dimension.Implemented with fiber-integrated components, this approach provides a network-compatible platform for high-dimensional quantum communication. Within this framework, continuous-wave and pulsed spontaneous parametric down-conversion sources are investigated to identify how source characteristics,detector timing jitter, and temporal discretization jointly determine entanglement quality. A central result is that temporal discretization is not merely a post-processing step, but a defining element of the physical protocol. The time-bin width, frame construction, and temporal filtering directly affect coincidence retention, measurement visibility, entanglement quality, and secure communication rate. To address this, sequential time-bin framing with guard-window filtering is introduced and systematically analyzed. For the continuous-wave source, a nonzero guard window is required to suppress jitter-induced time-bin misassignment and maximize performance. For the pulsed source,the pump-defined temporal structure already reduces boundary errors, making the performance less sensitive to guard-window duration. In both cases, increasing the encoding dimension improves the information extracted per detected photon pair, with dimensions up to d = 64 providing clear advantages over qubit-based encoding. To explain and predict these behaviors, a unified, dimension-independent model is developed that combines the source emission profile with the experimentally measured detector timing response. The model reproduces the observed singles, coincidence probabilities, and visibilities for both continuouswave and pulsed operation to within a few percent, and enables a priori optimization of discretization and filtering parameters. This provides a predictive tool for adapting high-dimensional temporal encoding to different operating conditions, rather than relying only on empirical tuning. Toward field-deployable high-dimensional quantum communication, this thesis further investigates how temporal encoding should be optimized under realistic channel loss. Using a continuous-wave SPDC source and unbalanced interferometric measurements, the source brightness, encoding dimension, and temporal guard window are jointly optimized from experimentally measured coincidence statistics. Across a programmable-loss sweep, 270 parameter configurations are evaluated by varying pump current, dimension, and guard-window duration. The results reveal distinct loss-dependent regimes: at lower loss, high-dimensional encoding provides the dominant gain and the optimum favors largerdimensions such as d = 32, while at higher loss the optimum shifts toward brighter operation, smaller dimensions, and finite guard windows that suppress timing-related errors. Using these loss-adaptive operating points, high-dimensional time-bin entanglement is distributed over long-distance fiber-spool links with composable secure key-rate evaluation. For the 100km configuration, the fully optimized operating point reaches a key rate of 8.64 × 103 Hz at d = 32 and g = 10 ps, exceeding the best pump-optimized qubit reference without guard-window filtering by a factor of 3.72. For the 150km configuration, with channel loss approaching 36 dB, the optimum shifts to d = 4 and g = 10 ps, yielding 4.1 × 102 Hz and a 7.45× improvement over the corresponding qubitreference. These results establish loss-optimized temporal encoding as a practical route to long-distance high-dimensional entanglement distribution and secure quantum communication in realistic network conditions.Overall, this thesis establishes high-dimensional time-bin entanglement as a practical and scalable resource for quantum networks. It provides tools for designing network-compatible temporal encoding schemes, shows how source-dependent and loss-dependent optimization can significantly improveperformance, and demonstrates that high-dimensional time-bin entanglement can be distributed and exploited over long-distance fiber links with composable security. These results contribute toward robust photonic quantum networks in which high-dimensional temporal encoding can support secure communication, entanglement distribution, and networked quantum information processing.