German Title: Robuste und effiziente Quanten-repeater mit atomaren Ensembles und lineare Optik

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Abstract

The work presented in this thesis is the theoretical and experimental investigation of long-distance quantum communication with atomic ensembles and linear optics. A robust and efficient quantum repeater architecture building on the original Duan-Lukin-Cirac-Zoller protocol (DLCZ) is proposed. The new architecture is based on two-photon Hong-Ou-Mandel-type interference, which relaxes the long distance stability requirements by about 7 orders of magnitude. Moreover, by exploiting the local generation of quasi-ideal entangled pair, the new architecture is much faster than all the previous protocols with similar ingredients. We then report our recent experimental efforts towards the quantum repeater with atomic ensembles and linear optics. By exploiting the nonclassical correlation, we demonstrated a deterministic single photon source, Hong-Ou-Mandel dip between two single photons, long-lived quantum memory with optical trap, and quantum teleportation between a photonic qubit and a memory qubit. Moreover, by the aid of the new atom-photon entanglement source, a building block of the robust quantum repeater is realized. The theoretical and experimental progress presented in this work allows a faithfully implementation of a robust quantum repeater, and enables a realistic avenue for relevant long-distance quantum communication.

Translation of abstract (German)

Die Arbeit, die in dieser Dissertation vorgestellt wird, untersucht theoretisch und experimentell die Quantenkommunikation ueber lange Strecken (long-distance quantum communication) mit atomaren Ensemblen und linearer Optik. Ein robustes und effiziente Quantenrepeaterarchitektur aufbauend auf einem Originalprotokoll von Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ) wird vorgestellt. Die neue Architektur basiert auf der Zweiphotonen Hong-Ou-Mandel-typischen Interferenz, um so die Anforderungen an die Stabilitaet ueber weite Entfernungen um circa 7 Groessenordnungen zu reduzieren. Darueber hinaus verwenden wir die nichtklassischen Korrelationen um eine determinstische Einzelphotonenquelle, den Hong-Ou-Mandel Dip zwischen zwei einzelnen Photonen, einen Quantenspeicher mit langer Lebenszeit in einer optischen Dipolfalle und die Quantenteleportation zwischen einem Photon als Qubit und einem atomaren Speicherqubit zu demonstrieren. Abschliessend wird mithilfe einer neuen Quelle zur Verschraenkung von atomaren Ensembles und Photonen ein Baustein fuer einen robusten Quantenrepeater realisiert. Der theoretische und experimentelle Fortschritt, der in dieser Arbeit dargestellt wird, erlaubt die zuverlaessige Implementierung eines robusten Quantenrepeaters und oeffnet einen realistischen Weg fuer die relevante Quantenkommunikation ueber lange Strecken.