Hyperentangled photon pairs for free-space quantum communication

Abstract

Quantenverschränkung ist eine grundlegende Ressource für viele Quanteninformationsverarbeitungsprotokolle, wie beispielsweise der Quanten\-krypto\-graphie. Die Verteilung von Verschränkung auf globaler Ebene ist daher eine wesentliche Voraussetzung für zukünftige Quantennetzwerke. Quanteninformation, welche in Photonen kodiert ist, kann sowohl durch die Luft als auch über Glasfaserkabeln übermittelt werden. Faserbasierte Quantennetzwerke sind aufgrund ihrerer Verluste sowie des Detektorrauschens in ihrer Reichweite auf einige 100 km begrenzt. Darüberhinaus ist eine Quantenrepeaterinfranstruktur, welche für solche Netzwerke benötigt würde, aufgrund von physikalisch-technischen Schwierigkeiten in weiter Ferne. Demgegenüber ist die Übertragung durch die Luft lediglich durch Sichtverbindung der Kommunikationspartner und Detektorrauschen begrenzt. Der größte Vorteil der Luftübertragung ist die Möglichkeit, die Photonen über Boden-Satelliten und Satelliten-Satelliten-Verbindungen zu verteilen, was den Begriff "Quantum space race" geprägt hat. Die Verteilung photonischer Verschränkung über vergleichbare Distanzen wurde in den vergangenen zwei Jahrzehnten in etlichen Experimenten untersucht, jedoch erfolgte die Verschränkung in der überwiegenden Mehrzahl dieser Experimente im Polarisationsfreiheitsgrad. Aufgrund der Abwesenheit von Doppelbrechung in der Atmosphäre und der guten Manipulierbarkeit, ist die Polarisation einzelner Photonen ein idealer Freiheitsgrad für Freiraumexperimente. Es gibt jedoch keinen Grund zur der Annahme, dass andere Freiheitsgrade nicht ebenso für die langreichweitige Verteilung von Verschränkung geeignet sind. Tatsächlich stellen kontinuierliche Freiheitsgrade, wie etwa die Energie-Zeit-Domäne, noch höhere Kanalkapazitäten aufgrund ihrer intrinsisch hochdimensionalen Natur in Aussicht. Die simultane Verschränkung in mehr als einem Freiheitsgrad, sogenannte Hyperverschränkung, bietet eine relativ einfache Möglichkeit den Zustandsraum zu vergrößern, was wesentliche Vorteile bei der Robustheit der Verschränkung, sowie eine Erhöhung der Informationskapazität pro Photon bietet. In dieser Masterarbeit demonstriere ich die innerstädtische Verteilung von Photonenpaaren über eine turbulente Atmosphäre, welche sowohl in der Polarisation, als auch in der Zeit verschränkt sind. Die kohärente Verteilung von hochdimensionaler Verschränkung auf diese Art ist ein wesentlicher Schritt für die Implementierung von komplexeren Quantenkommunikationsprotokollen über globale Distanzen.

Quantum entanglement is a fundamental resource for quantum information processing protocols, such as secure multipartite quantum communication. The distribution of entanglement on a global scale is therefore an essential requirement for future quantum networks. Quantum information encoded in photons can be transmitted in optical fibers as well as over free-space links. Fiber-based quantum networks are limited in their range to a few 100 km due to their intrinsic loss and detector dark counts. In order to face these problems, a quantum repeater infrastructure must be implemented, which is, however, only in the early stages of development. Free-space links are in principle only limited by line of sight of the communicating parties, apart from dark counts of the detectors and the size of the receiver aperture. The biggest advantage of the latter approach is the possibility of distributing the photons via ground-satellite and satellite-satellite links, a prospect, which has sparked the so-called "Quantum space race''. The distribution of photonic entanglement via free-space links has been studied in a variety of baseline scenarios over the past two decades. However, the vast majority of experiments performed so far utilized entanglement only in the polarization degree of freedom (DOF). The polarization of single photons is a convenient DOF for free-space quantum communications, due to ease of manipulation as well as the absence of birefringence in the atmosphere. However, there is no fundamental barrier opposing the use of other DOF for the long range distribution of entanglement. In fact, continuous DOF such as energy-time even promise higher channel capacities due to their intrinsic high-dimensional nature. Harnessing simultaneous entanglement in more than one DOF, so called hyperentanglement, offers a convenient way of exploiting a large state space, which promises significant enhancements of robustness as well as increased per-photon information capacity. This thesis is dedicated to the study of energy-time and polarization hyperentangled photons and their distribution via optical free-space links. The coherent transmission of high-dimensional entanglement via turbulent atmospheric links is an important step towards the implementation of advanced quantum communication protocols with high channel capacities and noise robustness over global distances.