German Title: Quantenmanipulation von Photonen und Atomen

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Abstract

Quantum information has been witnessing great science value and latent application since 1980's. The research work presented here consist of mainly two important parts: manipulations of multiphoton entanglement and atomic ensembles based quantum memory. In first part, the experimental technique multi-photon entanglement is further developed to study fundamental issues in quantum mechanics, remarkable applications to quantum communication and quantum computation. Specifically, we have demonstrated a bit-flip error-free transfer of quantum information, violation of Bell's inequality beyond Tsirelson's bound, teleportation of a two-qubit composite system, as well as the one-way computing by two-photon-four-qubit cluster state. To overcome un-scalability problem due to probabilistic feature in linear optical quantum information processing, we investigated in the second part the physics of atomic ensembles based quantum memory. We show that theoretically, entanglement between distant locations can be deterministically generated. The experimental work has thoroughly developed the necessary techniques and we have achieved deterministic single photon source, and interference of the photons from independent atomic ensembles, teleportation between photonic and atomic qubits, a novel way to create a robust entanglement between an atomic and a photonic qubit, and memory based entanglement swapping. We believe, the developed techniques here would dramatically facilitate progresses in many fields including global quantum communication, linear optical quantum computation and the foundations of quantum mechanics etc.

Translation of abstract (German)

Quanteninformation wird seit den achtziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts ein großer wissenschaftlicher Wert und große Anwendbarkeit bezeugt. Die hier vorgestellte wissenschaftliche Arbeit gliedert sich in zwei Hauptteile: die Manipulation von Multiphotonen-Verschränkung und Quantenspeicher basierend auf atomaren Ensembles. Im ersten Teil werden die experimentellen Methoden von Multiphotonen- Verschränkung weiterentwickelt um fundamentale Fragen der Quantenmechanik zu studieren und bemerkenswerte Anwendungen zur Quantenkommunikation und Quantenrechnungen zu untersuchen. Genauer gesagt handelt es sich dabei um die Demonstration eines Bit-Flip fehlerfreien Transfers von Quanteninformation, die Verletzung der Bell'schen Ungleichung über die Tsirelson Grenze, die Teleportation eines zwei Qubit-Kompositsystems, sowie um eine Einwegquantenrechnung mittels eines Zwei-Photonen-Vier-Qubit-Clusterzustandes. Um die Unskalierbarkeit durch die probabilistischen Eigenschaften in der linearen Quanteninformationsverarbeitung zu überwinden, haben wir im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit die Physik von Quantenspeichern basierend auf atomaren Ensembles untersucht. Wir zeigen theoretisch, dass Verschränkung zwischen entfernten Orten deterministisch erzeugt werden kann. Mit den experimentell sorgfältig entwickelten Techniken haben wir eine deterministische Einzelphotonenquelle umgesetzt, die Interferenz von Photonen von unabhängigen atomaren Ensembles erreicht, die Teleportation zwischen einem photonischen und atomaren Qubit verwirklicht, einen neuen Weg zur Erzeugung von robuster Verschränkung zwischen einem atomaren und einem photonischen Qubit entwickelt und speicherbasierten Verschränkungstausch nachgewiesen. Wir glauben, dass die hier dargestellten Techniken den Fortschritt in vielen Feldern wie der globalen Quantenkommunikation, der linearen optischen Quantenrechnung, den Fundamenten der Quantenmechanik usw. eine dramatische Erleichterung bringen werden.