228 Pages
English

Quantum Information Processing with Atoms and Photons [Elektronische Ressource] / Christine Muschik. Gutachter: Ignacio Cirac ; Harald Friedrich. Betreuer: Ignacio Cirac

Gain access to the library to view online
Learn more

Description

i˜ ˜Technische Universitat MunchenMax-Planck{Institut fur˜ QuantenoptikQuantum Information Processingwith Atoms and PhotonsChristine A. MuschikVollst˜andiger Abdruck der von der Fakult˜at fur˜ Physikder Technischen Universit˜at Munc˜ henzur Erlangung des akademischen Grades einesDoktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)genehmigten Dissertation.Vorsitzender : Univ.-Prof. Dr. Dr. h.c. A. LaubereauPrufer˜ der Dissertation : 1. Hon.-Prof. J. I. Cirac, Ph.D.2. Univ.-Prof. Dr. H. FriedrichDie Dissertation wurde am 30.08.2011 bei derTechnischen Universit˜at Munc˜ hen eingereicht unddurch die Fakult˜at fur˜ Physik am 15.09.2011 angenommen.iiTo Annemarie, Brigitte and Hans MuschikiiiAbstractIn this Thesis, we present new tools for the study of quantum systems and proposeseveral novel schemes for practical applications in quantum information science. Weexplore two main topics, engineered dissipation and light-matter quantum interfaces, andinvestigate both with a focus on collective efiects that arise if a large number of particlesinteract coherently with an optical quantum fleld. The majority of the consideredphysical systems are ensembles of neutral atoms. We study mainly atomic vapor at roomtemperature interacting with light. We use here a reflned description of this interaction,whichgeneralizesthemodelemployedduringthelastdecadeandallowsustodevelopnewprotocols for this type of system.

Subjects

Informations

Published by
Published 01 January 2011
Reads 57
Language English
Document size 5 MB

i
˜ ˜Technische Universitat Munchen
Max-Planck{Institut fur˜ Quantenoptik
Quantum Information Processing
with Atoms and Photons
Christine A. Muschik
Vollst˜andiger Abdruck der von der Fakult˜at fur˜ Physik
der Technischen Universit˜at Munc˜ hen
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)
genehmigten Dissertation.
Vorsitzender : Univ.-Prof. Dr. Dr. h.c. A. Laubereau
Prufer˜ der Dissertation : 1. Hon.-Prof. J. I. Cirac, Ph.D.
2. Univ.-Prof. Dr. H. Friedrich
Die Dissertation wurde am 30.08.2011 bei der
Technischen Universit˜at Munc˜ hen eingereicht und
durch die Fakult˜at fur˜ Physik am 15.09.2011 angenommen.ii
To Annemarie, Brigitte and Hans Muschikiii
Abstract
In this Thesis, we present new tools for the study of quantum systems and propose
several novel schemes for practical applications in quantum information science. We
explore two main topics, engineered dissipation and light-matter quantum interfaces, and
investigate both with a focus on collective efiects that arise if a large number of particles
interact coherently with an optical quantum fleld. The majority of the considered
physical systems are ensembles of neutral atoms. We study mainly atomic vapor at room
temperature interacting with light. We use here a reflned description of this interaction,
whichgeneralizesthemodelemployedduringthelastdecadeandallowsustodevelopnew
protocols for this type of system. We also consider ultracold atoms in optical lattices for
the implementation of the ideas and schemes put forward here. Besides these two main
systems,wealsoinvestigateBose-Einsteincondensatesandsingleatomsinopticalcavities.
The central part of this Thesis focuses on harnessing dissipative processes for quantum
information science, which represents a radically new approach. We explore this route
and devise a scheme for the generation of long-lived entangled states which are obtained
as the steady states of a dissipative evolution. This method leads to very robust
entanglement, which does not require the initialization of the system in a speciflc
state. We present here also the theoretical description of the corresponding experiment,
where entanglement has been maintained up to one hour by combining the dissipative
mechanism with continuous measurements. This exceeds the entanglement life-times
observed so far by several orders of magnitude. In this context, we also propose a
dissipative approach to the challenge of entanglement distribution over large distances.
We show how many weakly entangled states can be dissipatively transformed into few
highlyentangledones. Basedontheseresults, weproposeacontinuousquantumrepeater
scheme, which produces long-range high-quality steady state entanglement.
Another large part of this Thesis is concerned with the application of light-matter
interface techniques in difierent contexts. We analyze a scheme which enables the
deterministic teleportation of quantum states between two macroscopic ensembles under
realistic experimental conditions. Light acts here as an auxiliary system which connects
the two material systems. We also propose a protocol for the realization of an entangling
gateforphotons, whichisbasedontheoppositeapproach. Here, anatomicensembleacts
as auxiliary system to enable an efiective interaction between photons. Apart from these
quantum technology related projects, we investigate the use of light-matter quantum
interface techniques for the study of quantum many-body systems and propose a novel
spectroscopy scheme which uses quantum memories for probing spin systems.ivv
Zusammenfassung
In dieser Doktorarbeit stellen wir neuartige Untersuchungsmethoden fur˜ quanten-
mechanische Systeme sowie verschiedene Protokolle fur˜ praktische Anwendungen in
der Quanteninformationswissenschaft vor. Wir untersuchen hier haupts˜achlich zwei
Themengebiete - die gezielte Manipulation von Dissipation und Quantenschnittstellen
zwischen Licht und Materie. Kollektive Efiekte, die auftreten, wenn eine gro…e Anzahl
vonTeilchenkoh˜arentmiteinemoptischenQuantenfeldwechselwirkt,bildenhierbeieinen
besonderen Schwerpunkt. Bei den physikalischen Systemen handelt es sich haups˜achlich
um Ensembles neutraler Atome. Wir betrachten dabei insbesondere die Wechselwirkung
von atomaren Wolken bei Raumtemperatur mit Licht. Wir verwenden hierbei eine
verbesserteBeschreibungdieserWechselwirkung, diedasModell, dasw˜ahrenddesletzten
Jahrzehnts verwendet wurde, verallgemeinert und es uns so erlaubt, neue Protokolle
fur˜ dieses System zu entwickeln. Eine weitere M˜oglichkeit fur˜ die Implementierung der
Protokolle, die hier diskutiert werden, sind Ensembles ultrakalter Atome in optischen
Gittern. Neben diesen beiden Systemen untersuchen wir auch Bose-Einstein Kondensate
und einzelne Atome in optischen Kavit˜aten.
Der zentrale Teil dieser Arbeit widmet sich dem Einsatz dissipativer Prozesse in
der Quanteninformationswissenschaft. Die gezielte Nutzung von Dissipation ist hierbei
ein radikal neuer Ansatz. Mit Hilfe dieser Idee entwickeln wir eine Methode zur
Erzeugung langlebiger verschr˜ankter Zust˜ande, die hierbei als station˜are Zust˜ande
einer dissipativen Entwicklung erzielt werden. Diese Methode fuhrt˜ zu sehr robuster
Verschr˜ankung und erfordert nicht die Initialisierung des Systems in einem speziellen An-
fangszustand. Wir stellen hier weiterhin die theoretische Beschreibung eines Experiments
vor, in dem Verschr˜ankung bis zu einer Stunde lang aufrecht erhalten werden konnte.
Dieses wurde durch die Kombination des dissipativen Mechanismus mit kontinuierlichen
Messungen erreicht und ub˜ ertrifit die Lebensdauern, die bisher erzielt wurden, um
mehrere Gr˜o…enordnungen. Wir entwickeln in diesem Zusammenhang auch einen dis-
sipativen L˜osungsansatz fur˜ eines der Grundprobleme der Quantentechnologie, n˜amlich
Verschr˜ankung ub˜ er weite Distanzen hinweg zu erzeugen. Dazu zeigen wir, wie viele
schwach verschr˜ankte Zust˜ande dissipativ in wenige stark verschr˜ankte umgewandelt
werden k˜onnen. Basierend auf diesen Ergebnissen entwickeln wir ein Schema fur˜ einen
kontinuierlichen Quantenrepeater, der die Erzeugung stark verschr˜ankter Zust˜ande ub˜ er
weite Distanzen hinweg erlaubt.
Ein weiterer wesentlicher Teil dieser Arbeit widmet sich der Anwendung von Quan-
tenschnittstellen zwischen Licht und Materie. Wir analysieren ein Schema, das dievi
deterministische Teleportation von Quantenzust˜anden zwischen zwei makroskopischen
Ensembles unter realistischen Bedingungen erm˜oglicht. Licht agiert hierbei als ein Hilf-
ssystem,dasdiebeidenMateriesystemekoppelt. WirschlagenzudemeinProtokollfur˜ die
Realisierungeinesverschr˜ankendenQuantengattersvor,dasaufdemumgekehrtenAnsatz
beruht. In diesem Fall agiert ein atomares Ensemble als Hilfssystem und erm˜oglicht so
eine efiektive Wechselwirkung zwischen Photonen. Neben diesen auf Quantentechnologie
bezogenen Projekten erforschen wir auch die Anwendbarkeit von Quantenschnittstellen
fur˜ neue Untersuchungsmethoden von Quanten-Vielteilchensystemen und entwickeln
eine neuartige Spektroskopiemethode, die Quantenspeicher fur˜ die Untersuchung von
Spinsystemen nutzt.vii
Publications
Articles
[I] Quantum processing photonic states in optical lattices,
Christine A. Muschik, In¶es de Vega, Diego Porras, and J. Ignacio Cirac.
Phys. Rev. Lett. 100, 063601 (2008).
[II] Entanglement distillation by dissipation and continuous quantum repeaters,
Karl Gerd H. Vollbrecht, Christine A. Muschik, and J. Ignacio Cirac.
arXiv:1011.4115 (2010), to be published in Phys. Rev. Lett.
[III] Entanglement generated by dissipation and steady state entanglement of two macro-
scopic objects.
Hanna Krauter*, Christine A. Muschik*, Kasper Jensen, Wojciech Wasilewski,
Jonas M. Petersen, J. Ignacio Cirac, and Eugene S. Polzik.
Phys. Rev. Lett. 107, 080503 (2011).
[IV] Dissipatively driven entanglement of two macroscopic atomic ensembles.
Christine A. Muschik, Eugene S. Polzik, and J. Ignacio Cirac.
Phys. Rev. A 83, 052312 (2011).
[V] Quantum Memory Assisted Probing of Dynamical Spin Correlations.
Oriol Romero-Isart, Matteo Rizzi, Christine A. Muschik, Eugene S. Polzik, Maciej
Lewenstein, and Anna Sanpera.
arXiv:1105.6308 (2011).
[VI] Quantum state engineering, puriflcation, and number resolved photon detection with
high flnesse optical cavities.
Anne E. B. Nielsen, Christine A. Muschik, G¶eza Giedke and Karl Gerd H. Voll-
brecht.
Phys. Rev. A 81, 043832 (2010).
[VII] Single mode quadrature entangled light from room temperature atomic vapor.
Wojciech Wasilewski, Thomas Fernholz, Kasper Jensen, Lars S. Madsen, Hanna
Krauter, Christine Muschik, and Eugene S. Polzik.
Opt. Express 17, 14444 (2009).
*These authors contributed equally to this work.viii
[VIII] Detecting entanglement in two mode squeezed states by particle counting.
Christine A. Muschik, Eugene S. Polzik, and J. Ignacio Cirac.
arXiv:0806.3448 (2008).
[IX] Quantum Information at the Interface of Light with Mesoscopic Objects.
Christine A. Muschik, Hanna Krauter, Klemens Hammerer, and Eugene S. Polzik.
arXiv:1105.2947 (2011).
Book chapter
[X] Quantum processing photonic states in optical lattices.
Christine A. Muschik, In¶es de Vega, Diego Porras, and J. Ignacio Cirac.
Advances in Information Optics and Photonics, ICO Book IV, 533, SPIE Press,
(2008).
Proceedings
[XI] Quantum memory, entanglement and sensing with room temperature atoms.
Kasper Jensen, Wojciech Wasilewski, Hanna Krauter, Thomas Fernholz, Bo M.
Nielsen, Jonas M. Petersen, Jelmer J. Renema, Michael V. Balabas, Masaki Owari,
MartinB.Plenio,AlessioSeraflni,MichaelM.Wolf,ChristineA.Muschik,J.Ignacio
Cirac, J˜org H. Muller˜ and Eugene S. Polzik.
J. Phys.: Conf. Ser. 264, 012022 (2011).
In preparation
[XII] Deterministic quantum teleportation between two macroscopic objects.
Christine A. Muschik, Hanna Krauter, Eugene S. Polzik, and J. Ignacio Cirac.
[XIII] Entanglement generated by dissipation.
Christine A. Muschik, Hanna Krauter, Kasper Jensen, Wojciech Wasilewski, Jonas
M. Petersen, J. Ignacio Cirac, and Eugene S. Polzik.CONTENTS ix
Contents
1 Motivation and outline 1
2 Physical systems 5
2.1 Atomic ensembles at room temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 The physical system - description of atoms and light . . . . . . . . 6
2.1.2 Interaction between an atomic ensemble and light . . . . . . . . . . 8
2.1.3 Input-output relations and characteristic properties of the interaction 12
2.2 Ultracold atoms in optical lattices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.1 Mott insulating states in optical lattices . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.2 State dependent transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.3 Collisional phases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3 High-flnesse optical cavities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3.1 Basic properties of optical cavities and light-atom coupling in the
strong coupling regime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3.2 Realization of a controlled phase- ip gate . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4 Bose-Einstein condensates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.4.1 Basic properties of Bose-Einstein condensates . . . . . . . . . . . . 25
2.4.2 Superradiance in condenstaes . . . . . . . . . . . . . 26
3 Engineered Dissipation 29
3.1 Entanglement generated by dissipation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1.1 State of the art and related work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.1.2 Main idea and central results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.1.3 Creation of steady state entanglement in a two-level system . . . . 34
3.1.4 Implementation in multi-level systems . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.1.5 Experimental realization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.1.6 Concluding remarks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.2 Entanglement distillation by dissipation and continuous quantum repeaters 55
3.2.1 Overview and main results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.2.2 Scheme I: Dissipative entanglement distillation for source states
close to pure states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.2.3 Scheme II: dissipative entanglement distillation for Werner states . 59
3.2.4 Continuous quantum repeaters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61x CONTENTS
4 Applications of light-matter interface schemes 63
4.1 Deterministic quantum teleportation between two macroscopic objects. . . 63
4.1.1 Teleportation of atomic states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.1.2 Overview and main results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.1.3 QND teleportation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.1.4 Non-QND Teleportation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.2 Quantum memory assisted probing of dynamical spin correlations . . . . . 78
4.2.1 State of the art and related work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.2.2 Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.2.3 Statistics based on independent measurements . . . . . . . . . . . . 81
4.2.4 Protocol for quantum memory assisted probing . . . . . . . . . . . 82
4.2.5 Probing of the dynamics of coupled double-well superlattices . . . . 83
4.3 Quantum processing photonic states in optical lattices . . . . . . . . . . . 84
4.3.1 Quantum information processing with light . . . . . . . . . . . . . . 85
4.3.2 Overview and main results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.3.3 Processing of atomic states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.3.4 Quantum gate protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.3.5 Performance of the quantum gate in the presence of noise . . . . . . 92
5 Number correlated states in Bose-Einstein condensates and optical cav-
ities 95
5.1 Quantum state engineering, puriflcation, and photon counting in high fl-
nesse cavities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.1.1 State of the art and related work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.1.2 Overview and main results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.1.3 Nondestructive projection onto photon number correlated states . . 99
5.1.4 Photon number resolving measurement . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.1.5 Filtering out losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.2 Detecting entanglement in two mode squeezed states by particle counting . 108
5.2.1 Generation and detection of entanglement in two mode squeezed
states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.2.2 Inseparability criterion based on particle number measurements . . 110
5.2.3 Entanglement in superradiant scattering from Bose-Einstein con-
densates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6 Conclusions and outlook 117
A Quantum Information Theory 119
A.1 Quantum computing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
A.2 Quantum communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
A.3 Quantum simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
B Dissipatively driven entanglement: supplementary material 127
B.1 Comparison of dissipative entanglement generation with other methods . . 127
B.2 Steady state entanglement for bosonic modes . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
B.3 Derivation of the master equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131