Long-distance multipartite quantum communication

Die folgende Doktorarbeit beschreibt zwei Freiraumexperimente über große Distanzen basierend auf Multiphotonenverschränkung im Polarisationsfreiheitsgrad. Die angeführten Messungen wurden unter Verwendung eines 143 km langen horizontalen Quantenkanals durch die Erdatmosphäre zwischen den Kanarischen Inseln La Palma und Teneriffa durchgeführt. Basierend auf dem Superpositionsprinzip stellt die Quantenverschränkung den Schlüsselbaustein für das Gebiet der Quanteninformation dar. Ihre nichtklassischen Korrelationen sind die Grundvoraussetzung für spannende neue Protokolle wie etwa Quantenkryptographie, Quantenberechnungen oder Quantenteleportation. Unser erstes Experiment befasste sich mit der Teleportation von Verschränkung, auch Verschränkungsaustausch genannt. Dabei wird die Verschränkung von zwei Photonenpaaren 0-1 und 2-3 auf eine Verschränkung zwischen den Photonen 1-2 und 0-3 übertragen. Diese Eigenschaft stellt die fundamentale Ressource von sogenannten Quanten Repeater dar. Solche Geräte könnten in Zukunft verwendet werden um große Distanzen in kleinere Abschnitte zu unterteilen und schließlich die Verschränkung durch Verschränkungsaustausch über die gesamte Strecke auszudehnen. Im zweiten Experiment haben wir die Verschränkung von vier Photonen in Form eines GHZ-Zustandes gezeigt, benannt nach den Wissenschaftlern Daniel Greenberger, Michael Horne und Anton Zeilinger. Zwei Quellen für Polarisationsverschränkung in der Basisstation auf La Palma haben anhand von parametrischer Fluoreszenz des Lichts eines Femtosekundenlasers Photonenpaare mit 808 nm Wellenlänge erzeugt. In beiden Experimenten wurde pro Laserpuls jeweils eines von insgesamt vier Photonen über 143 km Luftlinie zur Empfängerstation nach Teneriffa gesendet. Die restlichen drei Photonen wurden lokal auf La Palma registriert. Für die Kompensation von langsamen atmosphärischen Turbulenzen im bodennahen Quantenkanal wurden die Teleskope anhand eines bidirektionalen geschlossenen Regelkreises kontinuierlich nachgeführt. Trotz einer mittleren Abschwächung von ca. 30 dB über den 143 km Quantenkanal haben wir mit einer statistischen Sicherheit von über 6 Standardabweichungen den Austausch der Verschränkung nachgewiesen. Weiters haben wir vier Photonen erfolgreich zu einem GHZ-Zustand verschränkt, wobei einer der vier Empfänger 143 km entfernt war. Der Austausch von Verschränkung sowie die Verschränkung mehrerer Photonen, wie etwa in einem GHZ-Zustand der Fall, bilden die Grundlage für die Verteilung von Verschränkung über große Distanzen sowie für die Verschränkung mehrerer Datenknoten miteinander. Unsere Ergebnisse beweisen die Realisierbarkeit dieser Protokolle im Lichte zukünftiger Anwendungen im Bereich der satellitenbasierten Quantenkommunikation und rücken die Vision eines weltumspannenden Quantennetzwerks näher.This work addresses two long-distance free-space experiments based on multi-photon polarization entanglement. The highlighted measurements were performed between the Canary Islands La Palma and Tenerife, featuring a 143 km horizontal free-space quantum channel. Based on the superposition principle, quantum entanglement constitutes the key building block in quantum information sciences. Its nonclassical correlations lay the ground for exciting new protocols like quantum cryptography, quantum computation or quantum teleportation. Our first experiment targeted on the teleportation of entanglement, also known as entanglement swapping, where the entanglement from two polarization entangled photon pairs 0-1 and 2-3 is swapped onto photons 1-2 and 0-3. This feature constitutes the fundamental resource for so-called quantum repeaters. In the future such devices could be used to subdivide large distances into shorter links and finally extend the entanglement over the whole range by entanglement swapping. In the second experiment we realized four-photon entanglement in the form of a GHZ-state, named after the researchers Daniel Greenberger, Michael Horne and Anton Zeilinger. At the base station on La Palma we employed two sources for polarization-entanglement, generating photon pairs of 808 nm wavelength by spontaneous parametric down-conversion of femtosecond pulsed laser light. In both experiments one of the four photons per pulse was transmitted over a 143 km free-space link to the receiver station on Tenerife, whereas the remaining three photons were measured locally on La Palma. Long term atmospheric turbulences in the near-ground quantum channel were compensated by means of a bi-directional closed-loop tracking of the transceiver telescopes. Despite an average link attenuation of around 30 dB over the 143 km free-space channel, we successfully showed entanglement swapping with a statistical significance of more than 6 standard deviations. Moreover we faithfully entangled four photons in a GHZ-state with one of the recipients being separated by 143 km. Entanglement swapping and multi-photon entanglement such as GHZ-states lay the foundation for the distribution of entanglement over large distances and for entangling multiple nodes with each other. Our findings prove the feasibility of these protocols in future satellite-based quantum-communication applications, furthering the vision of quantum networks on a global scale