Experimental multi-photon high-dimensional entanglement

Das quantenphysikalische Phänomen der Verschränkung beschreibt Korrelationen zwischen quantenphysikalischen Systemen welche mit klassisch-physikalischen Theorien nicht erklärbar sind. Diese Verschränkung wurde experimentell bereits in komplexen Systemen mit bis zu 14 Ionen in zwei Dimensionen, oder auch zwischen zwei Photonen in mehr als 100 Dimensionen nachgewiesen. Allerdings gibt es bis heute keinen experimentellen Nachweis von Verschränkung in einem System zwischen mehr als zwei Objekten und gleichzeitig in mehr als 2 Dimensionen. Die vorliegende Arbeit hat daher zum Ziel, Verschränkung in einem derartig komplexen System zum ersten Mal experimentell nachzuweisen. Genauer gesagt sollen drei Photonen derart miteinander verschränkt werden, dass zwei Photonen in einem drei-dimensionalen Zustandsraum existieren, während das dritte in einem zwei-dimensionalen Zustandsraum verbleibt. Um solch einen Zustand experimentell erzeugen zu können, wurden neuartige Techniken wie z.B. ein Hong-Ou-Mandel (HOM) Effekt im Drehimpuls-Freiheitsgrad von Photonen (OAM) oder auch ein hochdimensionaler Router (HDR) für Quantenzustände entwickelt. Die geschickte Kombination dieser Elemente in Form eines OAM-HOM Effektes direkt am HDR erlaubt es letztlich, die Verschränkung von mehreren Photonen in mehreren Dimensionen zu erzeugen. Experimentell wurde ein Interferenzkontrast des OAM-HOM Effekts von mehr als 90 Prozent erreicht, was auf die gute technische Beherrschbarkeit des Drehimpuls-Freiheitsgrades der Photonen zurückzuführen ist. Die Langzeitstabilität des HDR von mehr als 35 Stunden bei konstant hoher Routing-Qualität demonstriert die Einsatztauglichkeit dieses Elements in Viel-Photon-Experimenten. Letztlich wurde der hochdimensionale Viel-Photon-Quantenzustand mit einem Überlapp von mehr als 80 Prozent zum theoretischen Idealzustand bestätigt. Dieses Ergebnis konnte mit Hilfe eines Verschränkungszeugen mit einer statistischen Sicherheit von 7 Standardabweichungen belegt werden. Die vorgelegten experimentellen Ergebnisse zeigen deutlich, dass der Drehimpuls von Photonen auch zur Realisierung von Quantensystemen mit noch komplexerer Verschränkung geeignet ist.Quantum entanglement is a phenomenon that describes very strong correlations between physical quantum systems and cannot be explained by classical theories. Experimentally, quantum entanglement has been shown in a variety of physical systems, for example, 14 ions entangled in 2 dimensions each or two photons entangled in more than 100 dimensions each. So far, no experimental demonstration of the entanglement of more than two particles in more than two dimensions has been reported in the literature. Thus, this thesis aims to experimentally create the first simultaneously multi-partite and high-dimensional entangled state. Specifically, a three-photon entangled state, where two photons reside in a three dimensional state space and one photon resides in a two dimensional space is created. In order to create such a state, several novel techniques such as a Hong-Ou-Mandel (HOM) effect in the orbital-angular-momentum (OAM) degree of freedom and a high-dimensional entanglement router (HDR) are developed. Furthermore, merging these newly developed tools and exploiting the OAM-HOM effect at the HDR results in creating the first multi-partite high-dimensionally entangled state. Very high visibilities of more than 90 percent were achieved in OAM-HOM interference, demonstrating the suitability of using the OAM of photons for such experiments. Additionally, long term stability of the HDR for more than 35 hours and the high routing precision during this time prove the usefulness of this device for multi-photon experiments. Finally, the high-dimensional multi-partite state was created with an experimental fidelity of more than 80 percent as compared to an ideal pure state. A fidelity witness designed to test for the presence of high-dimensional multi-partite entanglement was violated by 7 standard deviations, clearly showing the creation and verification of the first multi-photon and high-dimensionally entangled state. The results presented in this work demonstrate the capability of the OAM of photons to serve as a test bed for even more complex quantum states in the future