Experimental growth of Schrödinger kitten states

Abstract

Im Bereich der Quantenphysik werden nichtklassische Zustände wie Überlagerung und Verschränkung untersucht. Ein Beispiel für eine Überlagerung ist der quantenoptische Schrödinger-Katzen-Zustand, der als Qubit im Bereich der Quanteninformatik verwendet werden könnte. Eine Möglichkeit, einen solchen Zustand zu erzeugen, ist die Subtraktion eines einzelnen Photons von einem schwach gequetschten Lichtzustand. Allerdings ist die resultierende Amplitude a dieses Zustands sehr klein und liegt bei nur ungefähr 1. Für eine Anwendung als Qubit ist ein a über 2 erforderlich. Dies kann erreicht werden, indem die erzeugten Katzenzustände auf einem 50/50 Strahlteiler mit 2 Wiederholungen probabilistisch überlagert werden. Ein solches Experiment erfordert einen anspruchsvollen Aufbau mit 4 Quetschlichtquellen und einer 4 übereinstimmenden Einzelphotonendetektion, um den Erfolg des Wachsens anzukündigen. In dieser Arbeit wurde ein anderer Ansatz getestet, der es erlaubt, das Ergebnis des zuvor beschriebenen Experiments mit nur einer Quetschlichtquelle und einem Einzelphotonendetektor zu emulieren. Dazu wurde eine 8-Port-Homodyn-Detektion eines Katzenzustands mit einem a von 1,1 experimentell realisiert. Die Überlagerung an einem 50/50 Strahlteiler mit 2 Wiederholungen wurde in einer Datennachbearbeitung durchgeführt. Es konnte ein Katzenzustand mit einem a von 2,6 emuliert werden. Damit wurde die erforderliche Schwelle für Qubit-Anwendungen erreicht, aber der Katzenzustand ist nur in Form von bereits gemessenen Datenpunkten verfügbar, die in einem Computer gespeichert sind. Ob unsere emulierten Katzenzustände für weitere Anwendungen genutzt werden können, wird derzeit untersucht. Der Aufbau für die Erzeugung der Katzenzustände wird für ein zukünftiges Projekt über Verschränkungsdestillation wiederverwendet, welches den Abstand für die Quantenschlüsselverteilung im Bereich der Quantenkryptographie verbessern könnte.

Quantum physics allows to investigate nonclassical states like superpositions and entanglement. One example for a superposition is the quantum optical Schrödinger cat state, which might be used as a qubit in the area of quantum computation. One way of producing such a state is the subtraction of a single photon from a weakly squeezed state of light. The resulting amplitude a of this state is small and just around 1. For an application as qubit, an a above 2 is required. This can be achieved by probabilistically overlapping the created cat states on a 50/50 beam splitter with 2 iterations. Such an experiment needs a challenging setup with 4 squeezed-light sources and a 4 coincident single photon detection for heralding success of the growth. In this thesis another approach was tested, which allows to emulate the outcome of the previously described experiment by using only 1 squeezed-light source and 1 single photon detector. For that an 8-port homodyne detection of a cat state with an a around 1.1 was experimentally realized. The interference on a 50/50 beam splitter with 2 iterations was done in post processing. It was possible to emulate a cat state with an a around 2.6. Hence the required threshold for qubit applications was reached, but the cat state is only available in form of already measured data points inside a computer. If our emulated cat states can be used for further applications is under investigation. The cat state setup will be repurposed for a future project about entanglement distillation, which might be able to improve the possible distance for quantum key distribution in the field of quantum cryptography.