Quanten-Frequenzkonversion für Ionenfallen Quanten-Netzwerke

Dieses Projekt widmet sich der Untersuchung einer Technik der Frequenzkonversion von Photonen, die von gefangenen Ionen emittiert werden und mit diesen verschränkt sind, hin zu Frequenzen, die optimal für Quantennetzwerke geeignet sind. Die neuen Frequenzen beinhalten solche, die direkt mit Quantenpunkten, Farbzentren in Diamant und neutralen Atomen interagieren können und sich ebenso zur Übertragung über lange Strecken durch Glasfasern und die Atmosphäre eignen. Diese Technik der Quanten-Frequenzkonversion eröffnet faszinierendeneue Forschungsmöglichkeiten, wie beispielsweise die Gelegenheit neuartige, hybride Quantensysteme zu untersuchen und großskalige, verteilte Quantennetzwerke zu realisieren. Solche Netzwerke hätten weitreichende Auswirkungen auf Wissenschaft und Technik, speziell in den Gebieten der Quantenmetrologie, Quantenkommunikation und Quanteninformationsverarbeitung. Ich ziele darauf ab, eine experimentelle Demonstration der Technik der Frequenzumwandlung für von gespeicherten Ionen ausgesandte Photonen zu realisieren und ihr Potential zur Etablierung von Quantennetzwerken zu ermitteln. Das von mir vorgeschlagene Team und ich werden damit beginnen experimentelle Systeme aufzubauen, die über den aktuellen Stand der Technik hinaus gehen, um damit die ersten Untersuchungen der grundlegenden Prozesse in Verbindung mit gespeicherten Ionen durchzuführen. Wir werden uns darauf konzentrieren Photonen zur primären Telekomwellenlänge von 1550 nm umzuwandeln, welches die größte Wirkung in unserem Feld und der internationale wissenschaftliche Gemeinschaft hätte. Der erste Schritt wird es sein, Photonen in reinen Zuständen, d.h. solchen, die keine Verschränkung mit dem Ion aufweisen, umzuwandeln und dabei ihre zeitlichen und spektralen Eigenschaften untersuchen. Der nächste Schritt ist die Umwandlung von mit dem Ion verschränkten Photonen zu einer Wellenlänge von 1550 nm. Dies wäre ein wesentlicher Durchbruch, der es uns erlaubt mit dem Ion verschränkte Photonen über nie dagewesene Entfernungen von mehr als 10 km zu übertragen und die resultierende Dynamik zu untersuchen. In einer späteren Ausbaustufe zielen wir darauf ab, nicht-klassische Interferenz zwischen frequenzkonvertierten Photonen zu beobachten, die von Ionenfallen in einer Entfernung von mehr als 1 km ausgesandt wurden. Dies entspricht einem strikten Test der Eignung von frequenz-konvertierten Photonen zum Betrieb von Quantennetzwerken. Das Projekt läuft auf die Schaffung eines neuen Forschungsprogramms in Innsbruck hinaus, in dem die Gebiete der gespeicherten Ionen und der nicht-linearen Optik kombiniert werden um Quantennetzwerke zu bauen.

This project had two main goals. First, to develop an optical interface that allows the quantum states of trapped atoms to be connected with photons that have the optimal wavelength for long distance travel through optical fiber (the telecom C Band). Second, to use that ability to achieve entanglement between matter and light over tens of kilometers of optical fiber: several orders of magnitude beyond the previous state of the art. Both goals were achieved. We developed a non-linear optical interface that converts the wavelength of photons emitted by, and entangled with, single trapped ionised calcium atoms to the telecom C band. We then used the device to establish entanglement between a calcium atom and a photon that had traveled over up to 101km of coiled optical fiber. Furthermore, we used these new capabilities to demonstrate the functionality of a quantum repeater node: a device that is expected to allow for quantum information to be distributed over arbitrary distances in future quantum networks. Finally, in a research collaboration we achieved entanglement between two atoms: each in a different building 210 meters apart across the Technik campus of the University of Innsbruck. These results open a path towards building inter-city scale quantum networks of trapped atoms in the near-term, which represent a new platform for science and technology. Of particular interest is that the atoms can serve as precise clocks and sensors, opening up the possibility of building powerful distributed sensing and timekeeping networks.