Experimentelle Purifikation gequetschter und verschränkter Zustände
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Quantenkommunikation mit verschränktem Licht und die Kodierung von Quanteninformation in die Amplituden- und Phasenquadraturen des Lichtfeldes stellt ein äußerst aktives Forschungsgebiet dar. Die Purifikation, oder auch Destillation, beschreibt in diesem Gebiet ein Protokoll von entscheidender Wichtigkeit, da es dem unerwünschten Informationsverlust, also der Dekohärenz der übertragenen verschränkten Zustände, entgegenwirkt. Dabei wird aus einer größeren Zahl der übertragenen aber minderwertigen Zustände eine kleinere Zahl von Zuständen höherer Reinheit und stärkerer Verschränkung destilliert. Protokolle zur Purifikation und Destillation stellen damit einen wichtigen Baustein für den sogenannten „Quantenrepeater“ dar, mit dessen Hilfe in Zukunft auch große Entfernungen bei der Quantenkommunikation überbrückt werden sollen. In diesem Projekt wurde ein spezieller, jedoch sehr realistischer Dekohärenzprozess betrachtet, nämlich die Phasenfluktuation, wie sie z.B. Licht in optischen Fasern durch Brechzahlfluktuationen erfährt. Dieser Dekohärenzprozess war besonders gut geeignet, da dadurch hocheffiziente balancierte Homodyndetektoren für Purifikations- und Destillationsprotokolle eingesetzt werden konnten. Es wurden verschränkte Zustände des Lichts hergestellt, einer Phasenfluktuation unterworfen und anschließend die fundamentalen Grundprinzipien der Purifikation und Destillation experimentell demonstriert. Unsere eigenen theoretischen Vorhersagen über Optimierungsmöglichkeiten wurden verifiziert. Die wichtigsten experimentellen Ergebnisse, die den großen Erfolg dieses Projekts darstellen, waren die Demonstration von Purifikation und Destillation von gequetschten Zuständen basierend auf der Überlagerung von zwei Kopien an einem Strahlteiler, die Demonstration des gleichen Protokolls, allerdings mit verschränkten Zuständen und die erste mehrstufige, oder iterative, Destillation und Purifikation von Verschränkung, deren Techniken im Prinzip eine vollständige Eliminierung von Dekohärenz im asymptotischen Limit vieler Kopien ermöglicht. Alle Experimente wurden mit einer Monte-Carlo-Simulation verglichen und spiegelten die theoretischen Vorhersagen mit erstaunlicher Genauigkeit wieder. Unsere Ergebnisse haben gezeigt, dass die grundlegenden Ideen der Purifikation und Destillation für Lichtfelder und ihre kontinuierlichen Variablen experimentell realisierbar sind. Obwohl in der Praxis weiterentwickelte Protokolle, die auch der Dekohärenz durch Photonenverlust entgegenwirken können, notwendig sind, konnte dieses Projekt somit das Feld der Quantenkommunikation mit kontinuierlichen Variablen signifikant voranbringen und dadurch erneut motivieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Iterative Entanglement Distillation: Approaching full Elimination of Decoherence, Phys. Rev. Lett.
B. Hage A. Samblowski, J. DiGuglielmo, J. Fiurášek, and R. Schnabel
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Experimental demonstration of continuous variable purification of squeezed states, Phys. Rev. Lett. 97, 150505 (2006)
A. Franzen, B. Hage, J. DiGuglielmo, Jaromír Fiurášek, R. Schnabel
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Experimentally feasible purification of continuous-variable entanglement, Phys. Rev. A 75, 050302(R) (2007)
Jaromír Fiurášek, Petr Marek, Radim Filip, Roman Schnabel
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Multiple-copy distillation and purification of phase-diffused squeezed states, Phys. Rev. A 76, 053820 (2007)
Petr Marek, Jaromir Fiurášek, Boris Hage, Alexander Franzen, James DiGugliemo, Roman Schnabel
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On the distillation and purification of phase-diffused squeezed states, New J. Phys. 9, 227 (2007)
B. Hage, A. Franzen, J. DiGuglielmo, P. Marek, J. Fiurášek, R. Schnabel
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Preparation of distilled and purified continuous variable entangled states, Nature Physics 4, 915 (2008)
B. Hage, A. Samblowski, J. DiGuglielmo, A. Franzen, J. Fiurášek, R. Schnabel
