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Quantum Memory with Atomic Ensembles of Rubidium and Single Photons for Long Distance Quantum Communication

Straßel, Thorsten

German Title: Quantenspeicher mit atomaren Ensembles aus Rubidium und mit Einzelphotonen zur Langstrecken-Quantenkommunikation

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Abstract

The work presented in this thesis investigates theoretically and experimentally quantum memories with atomic ensembles, which are suited for long-distance quantum communication. For this purpose laser-cooled, ultracold atomic clouds of Rubidium 87 are used as memory for nonclassical single-photon states. Base on the atom-light interface of the protocol from Duan, Lukin, Cirac, Zoller (DLCZ) for long distance quantum communication the single photons states are stored and retrieved. By the help of non-classical correlations and the quantum memory a deterministic single photon source is demonstrated. The Hong-Ou-Mandel dip between two single photons created in this way has been measured. Moreover it is reported on the realization of a long-lived quantum memory by using magnetic-field insensitive atomic states in an optical trap and that by extending the spinwave's wavelength the dephasing of the memory due to thermal motion could be suppressed. Measured storage times of over a millisecond represent a significant progress towards the realization of long distance quantum communication.

Translation of abstract (German)

Die Arbeit, die in dieser Dissertation vorgestellt wird, untersucht theoretisch und experimentell Quantenspeicher mit atomaren Ensembles, die zur Quantenkommunikation über lange Strecken (long-distance quantum communication) geeignet sind. Dabei werden laser-gekühlte, ultrakalte Atomwolken aus Rubidium 87 als Speicher für nichtklassische Einzelphotonenzustände verwendet. Basierend auf der Atom-Licht Schnittstelle des Protokolls von Duan, Lukin, Cirac, Zoller (DLCZ) zur Langstrecken-Quantenkommunikation werden die Einzelphotonenzustände abgespeichert und wieder ausgelesen. Mithilfe der nichtklassischen Korrelationen und des Quantenspeichers wird eine deterministische Einzelphotonenquelle demonstriert. Der Hong-Ou-Mandel Dip zwischen zwei so generierten einzelnen Photonen wurde gemessen. Es wird dargelegt, wie unter Benutzung von magnetfeld-insensitiven atomaren Zustände ein Quantenspeicher mit langer Lebenszeit in einer optischen Dipolfalle realisiert wurde und mit einer verlängerten Spinwellen-Wellenlänge die Dephasierung des Speichers durch thermische Bewegung unterdrückt werden konnte. Gemessene Speicherzeiten von über einer Millisekunde stellen einen erheblichen Fortschritt zur Umsetzung der Quantenkommunikation über lange Strecken dar.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Dr. Jian-Wei Pan, Prof.
Date of thesis defense: 22 October 2008
Date Deposited: 08 Apr 2009 14:07
Date: 2008
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Quantenkommunikation, Regenerativverstärker, Quantenteleportation, Quanteninformatik, Photon, Atom, kalt, Laserkühlung, Photonenemission
Uncontrolled Keywords: Quantenrepeater, Quantenspeicher, Einzelphotonenquelle, Atomare Ensembles, SpeicherzeitQuantum communication, quantum memory, long life time, cold atomic ensembles, single photons
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