Quantum Frequency Conversion for Ion-Trap Quantum Networks

I propose to study a technique to convert the frequencies of photons, that are emitted by and entangled with trapped atomic-ions, to values that are optimal for quantum networking. The values include those directly accepted by quantum dots, diamond colour centres and neutral atoms, and those suitable for ultra-long-distance transmission through optical fibre and the atmosphere. This quantum frequency conversion technique could open up intriguing new research possibilities, including the opportunity to study hybrid quantum systems and to realise large-scale distributed quantum networks. Such networks would have broad and far-reaching implications for many fields of science, in particular for quantum metrology, communication and computation. I aim to experimentally demonstrate the frequency-conversion technique for photons entangled with trapped ions and to determine its potential to enable quantum networking. My proposed team and I will begin by building the sophisticated experimental systems necessary for the first studies of the underlying processes, with trapped-ions. We will focus on pursuing photon conversion to the prime telecom wavelength of 1550 nm, which would have the greatest impact on our field and the international research community. The first experimental goal will be to convert pure-state photons emitted by an ion, i.e. those not entangled to the ion, and study their temporal and spectral properties. The next goal will be to pursue the conversion of ion-photon entangled states to 1550 nm. This would be a significant breakthrough, which we will use to study the dynamics of ion-photon entanglement distributed over unprecedented distances of many tens of kilometers. In a later stage we aim to observe non-classical interference between frequency-converted photons emitted by ions in traps separated by more than 1 km, which represents a strict test on the potential for frequency-converted photons to enable quantum networking. The awarding of this project will result in the creation of a new research program in Innsbruck, that combines the fields of trapped-ions and non-linear photonics, for the purpose of building quantum networks.

Das erste Kernziel dieses Projekts war eine optische Schnittstelle zu entwickeln, die es ermöglicht, die Quantenzustände gefangener Atome mit Photonen zu verbinden, die die optimale Wellenlänge für die Übertragung über große Entfernungen durch Glasfaser (das Telekommunikations-C-Band) haben. Das zweite Kernziel war diese Fähigkeit zu nutzen, um die Verschränkung zwischen Materie und Licht über dutzende Kilometer von optischen Fasern zu beobachten: Größenordnungen, die über den bisherigen Stand der Technik hinausgehen. Beide Ziele wurden erreicht. Wir haben eine nichtlineare optische Schnittstelle entwickelt, die die Wellenlänge von Photonen, die von eingefangenen ionisierten Kalziumatomen emittiert und mit ihnen verschränkt werden, in das Telekommunikations-C-Band umwandeln kann. Anschließend verwendeten wir das Gerät, um eine Verschränkung zwischen einem Kalziumatom und einem Photon festzustellen, das durch eine 101 km lange gewickelte optische Faser gereist war. Darüber hinaus haben wir diese neuen Fähigkeiten genutzt, um die Funktionalität eines Quanten-Repeater-Knotens zu demonstrieren: einem Gerät, das die Verteilung von Quanteninformation über beliebige Entfernungen in zukünftigen Quantennetzwerken ermöglichen soll. Schließlich ist es uns in einer Forschungskooperation gelungen, zwei Atome miteinander zu verschränken: Ein Atom in unserem Labor mit einem Atom in einem anderen Gebäude im Abstand von 210 Metern auf dem Technik-Campus der Universität Innsbruck. Diese Ergebnisse ebnen den Weg für den Aufbau von Quantennetzwerken gefangener Atome im interstädtischen Maßstab, die eine neue Plattform für Wissenschaft und Technologie darstellen. Von besonderem Interesse ist, dass die Atome als präzise Uhren und Sensoren dienen können, was die Möglichkeit eröffnet, leistungsstarke verteilte Sensor- und Zeitmessnetzwerke aufzubauen.