Photonische Cluster-Zustände aus Diamanten

The main objective of the proposed research project is to build a diamond-based single-photon source that is capable of emitting strings of entangled photons for resource-efficient photonic quantum computing. This addresses the main challenge of measurement-based quantum computing in realising scalable multi-photon quantum information processing. We will follow recent theoretical work to realise the generation of a string of single photons that are entangled as a cluster state the generic resource for measurement-based quantum computing. To achieve this ambitious goal we will push current technology far beyond state-of-the-art by obtaining high light-collection efficiency from and advanced quantum control of single-photon emitters based on nitrogen-vacancy centres in diamond. To date, these light sources have been only used for obtaining individual, un-entangled photons. This will break new ground for the efficient generation of entangled photons, and will make large regions of previously inaccessible quantum state space available for modern quantum technologies. We will develop new theory to perform feasible quantum state tomography of the emitted light by using only passive optical elements. Furthermore, we will use new experimental methods for the implementation of quantum gates; the combination of fast electro-optical switches and high- efficiency superconducting detectors will enable adaptive measurements for error correction and deterministic quantum logic operations. The results of these experiments will be crucial in the development of scalable quantum computing in realistic scenarios, and open alternative perspectives for novel applications using quantum-enhanced information technology.

Geräte, die eine Schnittstelle zwischen Licht und Materie herstellen, sind starke Kandidaten für Baublöcke von zukünftigen Quantennetzwerken und Quantencomputern. Mehrere Systeme, die derzeit untersucht werden, zeigen vielversprechende Eigenschaften, aber keines von ihnen erfüllt derzeit alle Anforderungen für diese Anwendungen. Ein besonders attraktives Protokoll für den Betrieb dieser Geräte ist die Emission einer Kette von Photonen, die miteinander verschränkt sind. Die Verschränkung zwischen den Photonen wird durch das Senden von Kontrollpulsen zum Elektronenspin des Emitters, vor und zwischen den Photonen-Emissionen, vermittelt. Wir demonstrieren ein skalierbares Protokoll basierend auf diesem Prinzip, durch die Erzeugung von Verschränkung zwischen der Polarisation eines Photons und dem Elektronenspin des Emitters. Viele der Unvollkommenheiten der derzeitig erhältlichen Emitter werden durch unseren Ansatz umgangen. Unsere Methode verlässt sich auf die Konversion von Photonen, die in der Zeit-Domäne korreliert sind, zu Photonen, die in Polarisation korreliert sind, was es erlaubt sie mit einer großen Vielfalt von Emittern auszuführen. Wir demonstrieren das Prinzip unter der Verwendung eines einzelnen Stickstoff- Fehlstellenzentrums in Diamant. Der Elektronenspin des Emitters hat eine lange Kohärenz- Lebenszeit, wodurch er eine Aussicht auf die Erschaffung großer verschränkter Zustände anbietet.