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Bibliographic Metadata

Title
Two ions coupled to an optical cavity : from an enhanced quantum computer interface towards distributed quantum computing / vorgelegt von Bernardo Casabone
AuthorCasabone, Bernardo
Thesis advisorBlatt, Rainer
Published2015
DescriptionVIII, 122 Bl. : zahlr. Ill., graph. Darst.
Institutional NoteInnsbruck, Univ., Diss., 2015
Annotation
Zsfassung in engl. Sprache
Date of SubmissionApril 2015
LanguageEnglish
Bibl. ReferenceOeBB
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)cavity CQED / cqed / distributed quantum computing / ion trap / ion-ion entanglement / enhanced state mapping
Keywords (GND)Quantencomputer / Ion / Verschränkter Zustand
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-2799 Persistent Identifier (URN)
Restriction-Information
 The work is publicly available
Files
Two ions coupled to an optical cavity [6.52 mb]
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Reference
Classification
Abstract (German)

Verteiltes Quantenrechnen stellt eine Möglichkeit zur Verbesserung der Rechenleistung von Quantencomputern dar, erfordert jedoch Verschränkung zwischen den einzelnen Bestandteilen des Quantennetzwerks. In unserer Forschungsgruppe wurden zwei Alternativen der Verknüpfung ionenbasierter Quantencomputer mit Hilfe von optischen Resonatoren demonstriert: Verschränkung von einem Ion mit einem Photon und die Abbildung des Quantenzustands eines Ions auf den eines einzelnen Photons.

In dieser Arbeit erweitern wir einerseits die erste Methode und verschränken zwei Ionen, die sich innerhalb desselben optischen Resonators befinden. Die Verschränkung wird effizient erzeugt und ist angekündigt. Außerdem müssen die beiden Ionen sich nicht im selben Resonator befinden, sodass unser Ergebnis einen Baustein für die effiziente Erzeugung von Verschränkung entfernter ionenbasierter Quantencomputer darstellt.

Im zweiten Teil der Arbeit wird diskutiert, wie kollektive Effekte verwendet werden können, um die Leistung einer resonatorbasierten Quantenschnittstelle zu verbessern. Wir zeigen, dass bei der Verwendung eines sogenannten superradianten Zustands die Kopplungsstärke zwischen den beiden Ionen und dem Resonator im Vergleich mit einem einzelnen Ion effektiv gesteigert wird. Komplementär dazu wird gezeigt, dass ein Zustand der zwei Ionen erzeugt werden kann, der eine stark reduzierte Kopplungsstärke an den Resonator aufweist, das ist, ein subradianter Zustand. Abschließend wird die gesteigerte Kopplungsstärke des superradianten Zustands verwendet, um eine verbesserte Version des Protokolls zur Zustandsabbildung zu demonstrieren.

Aus dem verwendeten experimentellen Aufbau und einem zweiten Aufbau, der sich in der Konstruktionsphase befindet, wird in naher Zukunft ein Quantennetzwerk aufgebaut werden. Das in der vorliegenden Arbeit beschriebene Protokoll zur Verschränkung zweier Ionen wird verwendet werden, um Ionen in den zwei räumlich getrennten Aufbauten zu verschränken. In diesem Experiment müssen die Photonen, die von den Ionen erzeugt werden ununterscheidbar sein. Diese Voraussetzung kann erfüllt werden, indem die Form der photonischen Wellenpakete mit Hilfe kollektiver Effekte kontrolliert wird.

Abstract (English)

Distributed quantum computing, an approach to scale up the computational power of quantum computers, requires entanglement between nodes of a quantum network. In our research group, two building blocks of schemes to entangle two ion-based quantum computers using cavity-based quantum interfaces have recently been demonstrated: ion-photon entanglement and ion-photon state mapping.

In this thesis work, we extend the first building block in order to entangle two ions located in the same optical cavity. The entanglement generated by this protocol is efficient and heralded, and as it does not rely on the fact that ions interact with the same cavity, our results are a stepping stone towards the efficient generation of entanglement of remote ion-based quantum computers.

In the second part of this thesis, we discuss how collective effects can be used to improve the performance of a cavity-based quantum interface. We show that by using two ions in the so-called superradiant state, the coupling strength between the two ions and the optical cavity is effectively increased compared to the single-ion case. As a complementary result, the creation of a state of two ions that exhibits a reduced coupling strength to the optical cavity, i.e., a subradiant state, is shown. Finally, we demonstrate a direct application of the increased coupling strength that the superradiant state exhibits by showing an enhanced version of the ion-photon state mapping process.

By using the current setup and a second one that is being assembled, we intend to build a quantum network. The heralded ion-ion entanglement protocol presented in this thesis work will be used to entangle ions located in both setups, an experiment that requires photons generated in both apparatuses to be indistinguishable. Collective effects then can be used to modify the waveform of photons exiting the cavity in order to effect the desired photon indistinguishability.