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Manipulation of Multi-Photon-Entanglement : Applications in Quantum Information Processing

Goebel, Alexander Matthias

German Title: Manipulation von Multi-Photonen-Verschränkung : Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung

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Abstract

Over the last twenty years the field of quantum information processing (QIP) has attracted the attention of many scientists, due to the promise of impressive improvements in the areas of computational speed, communication security and the ability to simulate nature on the micro scale. This thesis describes an experimental work on the physics of multi-photon entanglement and its application in the field of QIP. We have thoroughly developed the necessary techniques to generate multipartite entanglement between up to six photons. By exploiting the developed six-photon interferometer, in this thesis we report for the first time the experimental quantum teleportation of a two-qubit composite system, the realization of multi-stage entanglement swapping, the implementation of a teleportation-based controlled-NOT gate for fault-tolerant quantum computation, the first generation of entanglement in sixpartite photonic graph states and the realization of ‘one-way’ quantum computation with two-photon four-qubit cluster states. The methods developed in these experiments are of great significance both for exploring the field of QIP and for future experiments on the fundamental tests of quantum mechanics.

Translation of abstract (German)

Die Quanteninformationsverarbeitung (QIV) hat in den letzten zwanzig Jahren das Interesse zahlreicher Wissenschaftler geweckt, da sie beeindruckende Verbesserungen unter anderem auf den Gebieten der Rechengeschwindigkeit, Kommunikationssicherheit und die Fähigkeit zur Simulation von quantenmechanischen Prozessen verspricht. Diese Dissertation beschreibt eine experimentelle Arbeit zur Physik der Verschränkung mehrerer Photonen und ihre Anwendung auf dem Gebiet der QIV. Es wurden neuartige Techniken entwickelt, die zur Erzeugung der Verschränkung von bis zu sechs Photonen benötigt werden. In dieser Dissertation werden grundlegenden Experimente beschrieben, die mit Hilfe des entwickelten Sechs-Photonen Interferometers durchgeführt wurden. Im einzelnen sind dies die erste experimentelle Quanten Teleportation eines zusammengesetzten Zwei-Teilchen Zustandes, die Realisierung von Verschränkungsübertragung ¨uber mehrere Abschnitte, die Implementierung eines teleportationsbasierten “bedingten-NICHT-Gatters” für eine fehlertolerante Quantenrechnung, die erste Erzeugung eines Graph-Zustandes mit sechs Photonen und die Realisierung eines Einwegquantencomputers mit Hilfe eines Zwei-Photonen-Vier-Qubit Cluster Zustandes. Die entwickelten Methoden sollen einen Beitrag leisten sowohl für die weitere Erforschung von QIV als auch für zukünftige grundlegende Experimente der Quantenmechanik.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Pan, Prof. Dr. Jian-Wei
Date of thesis defense: 16. July 2008
Date Deposited: 25. Jul 2008 10:41
Date: 2008
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Photon, Quantenoptik, Quanteninformatik
Uncontrolled Keywords: Quantum Information Processing , Multi-Photon-Entanglement
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