Experimental tools for quantum networking operations with single photons and sinlge ions
Authors:   , Huwer Jan Henning 
Published: October 2023

One promising approach for future quantum networks is the combination of strings of trapped ions as quantum-information processors with entangled photon pairs produced by spontaneous parametric down conversion (SPDC) to establish quantum communication links between distant
processing units.
This work reports on experiments using a hybrid quantum-optics set-up, comprising two separate linear ion traps and a resonant SPDC photon-pair source. It demonstrates the controlled interaction of single entangled photon pairs with a single trapped 40Ca+ ion. Preparing the ion as polarization selective absorber in the main polarization bases allows for the reconstruction of the biphoton quantum state, manifesting the photon entanglement in the absorption process.
Beyond that, the thesis documents the implementation of additional experimental tools enabling quantum state transfer experiments from photons to single ions. A dedicated narrowbandwidth laser system is set up, laser sequences are developed for state discrimination and state rotations of ion qubits, and for the creation and characterization of coherent superposition states, of particular importance for state-transfer schemes. Finally, detection efficiencies of single Raman photons emitted by an ion are characterized with a well controlled single-photon source, and absorption probabilities of single photons are determined with a calibrated laser beam, providing precise values to assess efficiencies for different transfer scenarios.

Un enfoque prometedor para futuras redes cuánticas es la combinación de iones atrapados con pares de fotones entrelazados que se generan por el proceso SPDC (Spontaneous Parametric Down Conversion). Los iones atrapados se utilizarán como procesadores de información cuántica. Los pares de fotones permitirán el establecimiento de enlaces de comunicación cuántica entre unidades de procesamiento distantes.
En el transcurso de este trabajo, que se situa en el marco de la óptica cuántica, se han combinado dos implementaciones experimentales independientes para la realización de un experimento híbrido. Las dos partes del experimento corresponden con dos trampas de iones lineales separadas y con una fuente de pares de fotones resonantes creados por SPDC. En este experimento se demuestra la interacción controlada de pares de fotones individuales entrelazados con un ión atrapado individual de 40Ca+. La preparación del ión como absorbente selectivo de polarización en las bases de polarización principales permite la reconstrucción del estado cuántico de los pares de fotones, manifestando así su entrelazamiento a través del proceso de absorción.
Además, en la tesis presente se documenta la implementación de herramientas experimentales adicionales que permitirán experimentos de transferencia de estados cuánticos de fotones a iones individuales. Así mismo, se describe el montaje de un sistema láser acondicionado con ancho de banda estrecho. Adicionalmente, se desarrollan secuencias de láser para la discriminación y la rotación de estados de qubits de iones y, para la creación y caracterización de estados de superposición coherente, especialmente importantes para varios esquemas de transferencia
de estado. Por último, se caracterizan las eficiencias de detección de fotones individuales Raman emitidos por un ión con una fuente de fotones individuales bien controlada, así como también se determinan las probabilidades de absorción de fotones individuales con una fuente láser calibrada. Los valores precisos obtenidos servirán para la evaluación de la eficiencia de diferentes esquemas de transferencia.

Ein mögliches System für zukünftige Quantennetzwerke ist die Verknüpfung gefangener Ionen als Quanteninformationsprozessoren mit durch SPDC (Spontaneous Parametric Down Conversion) erzeugten verschränkten Photonenpaaren zum Aufbau von Quantenkommunikationskanälen.
Diese Dissertation behandelt Experimente an einem hybriden Quantenoptikaufbau, bestehend aus zwei separaten linearen Ionenfallen und einer SPDC-Photonenpaarquelle. Sie zeigt die kontrollierte Wechselwirkung einzelner verschränkter Photonenpaare mit einem einzelnen 40Ca+ Ion. Durch Präparation des Ions als polarisationsselektiven Absorber in den drei Hauptpolarisationsbasen, wird der Zwei-Photonen-Quantenzustand rekonstruiert und somit über den Absorptionsprozess die Verschränkung der Photonenpaare nachgewiesen.
Überdies dokumentiert die Arbeit die Einrichtung zusätzlicher Methoden, welche den Zustandstransfer von Photonen auf einzelne Ionen ermöglichen. Ein schmalbandiges Lasersystem wird aufgebaut, Lasersequenzen für Zustandsbestimmung und Zustandsrotationen von
Ionen-Qubits und zur Erzeugung und Charakterisierung kohärenter Superpositionszustände werden entwickelt. Ferner werden mit Hilfe einer Einzelphotonenquelle Nachweiseffizienzen für einzelne, von einem Ion erzeugte, Raman-Photonen gemessen und Absorptionseffizienzen
einzelner Photonen mit einer kalibrierten Laserquelle charakterisiert. Die ermittelten Werte bilden eine solide Grundlage zur Abschätzung von Erfolgswahrscheinlichkeiten geplanter Transferschemata.