Sources of photonic entanglement for applications in space
Authors:   , Steinlechner Fabian 
Published: October 2023

The nonlocal correlations of entangled systems are a feature inherent to quantum theory that is fundamentally at odds with our common-sense notions of realism and locality. Additionally, entanglement is an essential resource for numerous quantum communication protocols such as quantum teleportation and quantum dense coding, quantum cryptography, as well as quantum-enhanced metrological schemes and quantum computation. These quantum schemes allow for significant gains in performance over their classical counterparts, and a commercial implementation of protocols utilizing entangled photons thus seems likely in the foreseeable future. A key challenge to be addressed, in order to achieve a global-scale implementation of quantum-enhanced protocols, is the distribution of entanglement over long distances.
While photons are in many ways ideal carriers of quantum information, their distribution over long distances is significantly impeded by losses. At present, loss in optical fiber links or atmospheric attenuation and obstructions of the line of sight in terrestrial free-space links limit the distribution of photonic entanglement to several hundred kilometers. Installing sources of photons with quantum correlations on space platforms would allow such distance limitations to be overcome. This would not only lead to the first global-scale implementation of quantum communication protocols, but would also create the opportunity for a completely new class of quantum experiments in a general relativistic framework.
State-of-the-art laboratory sources of entangled photons are generally ill-suited for applications in harsh environments such as space, either owing to the use of bulky lasers, the requirement for active interferometric stabilization, or insufficient photon-pair-generation efficiency. Thus, an integral milestone for the experimental implementation of quantum communication protocols over satellite links is the development of robust, space-proof sources of entangled photons with high brightness and entanglement visibility.
This thesis is intended to bridge laboratory experiments and real-world applications of quantum entanglement in harsh operational conditions. To this end, the main results of this thesis are:
Highly efficient sources of polarization-entangled photons for the distribution of entanglement via long-distance free-space links. The sources are very robust and compact, and incorporate only components which are compliant with the severe requirements of space flight and operation.
Optimization of spectral properties and fiber-coupling efficiency of photon pairs generated via spontaneous parametric down-conversion in bulk periodically poled potassium titanyl phosphate. The results of these studies are of great practical relevance for the development of an ultra-stable and efficient entangled photon source.
Engineering and characterization of field-deployable polarization-entangled photon sources with high visibility (>99%) and record pair-detection rates (>3 million detected pairs per mW of pump power). As a result of the performance demonstrated, the sources developed have been incorporated into ongoing experiments, for example in quantum nanophotonics and quantum communications, and will provide an enabling tool for future real-world applications.
Las correlaciones no locales de sistemas entrelazados son una característica inherente a la teoría cuántica que está fundamentalmente en desacuerdo con nuestra noción intuitiva de realismo y localidad. Además, el entrelazamiento es un recurso esencial en numerosos protocolos de comunicaciones cuánticas, como por ejemplo la teleportación cuántica o la criptografía cuántica, en esquemas metrológicos cuánticos y en computación cuántica. Todos estos esquemas cuánticos permiten mejoras significativas de rendimiento con respecto a sus homólogos clásicos, por lo tanto, parece previsible que en un futuro próximo veamos implementaciones comerciales de protocolos que utilicen fotones entrelazados. Un reto fundamental con el fin de lograr una implementación a escala global del entrelazamiento cuántico es su distribución a grandes distancias. A pesar de que los fotones son portadores ideales de información cuántica, su distribución a través de largas distancias está significativamente limitada por pérdidas. En la actualidad, las pérdidas introducidas por las fibras ópticas, la atenuación atmosférica, o la dificultad de obtener una línea de visión directa en enlaces terrestres limitan la distribución de entrelazamiento fotónico a varios cientos de kilómetros. La instalación de fuentes de fotones con correlaciones cuánticas en plataformas espaciales permitiría superar tales limitaciones de distancia. Esto no sólo daría lugar a la primera aplicación de protocolos de comunicación cuántica a escala mundial, sino que también daría la oportunidad de llevar a cabo un nuevo tipo de experimentos cuánticos en un marco de la relatividad general. Las fuentes de fotones entrelazados que podemos encontrar hoy en día en los laboratorios de óptica cuántica no están en general preparadas para ser usadas en entornos hostiles, como podría ser el espacio, ya sea por la utilización de láseres voluminosos, la necesidad de estabilizar interferómetros activamente o simplemente por tener una eficiencia insuficiente. Por lo tanto, un prerrequisito para lograr la implementación experimental de protocolos de comunicación cuántica a través de enlaces satelitales es el desarrollo de fuentes de fotones entrelazados que sean robustas, compatibles con operación espacial, y con alto brillo y visibilidad. En esta tesis se pretende conectar los experimentos de laboratorio en entrelazamiento cuántico y las aplicaciones en entornos operacionales desfavorables en el mundo real. Los principales resultados son: ¿ Fuentes de fotones entrelazados en polarización de alta eficiencia para la distribución de entrelazamiento a través de enlaces en espacio libre de larga distancia. Las fuentes son muy robustas y compactas, y utilizan únicamente componentes que son compatibles con estrictos requisitos de vuelo y operaciones espaciales. - Optimización de las propiedades espectrales y la eficiencia de acoplamiento a fibra monomodo de pares de fotones generados a través de spontaneous parametric down-conversion en titanil fosfato de potasio polarizado periódicamente. Los resultados de estos estudios son de gran importancia para el desarrollo de una fuente de fotones entrelazados ultra-estable y eficiente. - Desarrollo y caracterización de fuentes de fotones entrelazados en polarización con alta visibilidad (> 99%) y alto brillo (> 3 millones de pares detectados por mW de potencia de bombeo). Como resultado del rendimiento obtenido, las fuentes desarrolladas en esta tesis ya están siendo utilizadas en experimentos en curso, como por ejemplo en nanofotónica cuántica y en comunicaciones cuánticas, y serán un elemento esencial en futuras aplicaciones.