German Title: Experimentelle Manipulation von Photonischer Verschränkung : Anwendungen in der Quantenkommunikation, der Quantenteleportation und der Quantencomputation

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Abstract

Die Quanteninformationsverarbeitung (QIV) und ihre Anwendungen im Bereich der Quantenkommunikation und Quantenrechnung war in den letzten zwanzig Jahren eines der am stärksten wachsenden Gebitet der Physik. In der Zukunft wird die QIV beeindruckende Verbesserungen unter anderem auf den Gebieten der Kommunikationssicherheit, der Rechengeschwindigkeit und der Fähigkeit zur Simulation von quantenmechanischen Prozessen erlauben. Diese Dissertation beschreibt vier Experimente zur Physik der Verschränkung mehrerer Photonen und ihre Anwendung auf dem Gebiet der QIV: Die Implementierung einer deterministischen Quelle für polarisationsverschränkte Photonenpaare. Die Entwicklung eines Interferometers zur Erzeugung von Viel-Teilchen-Verschränkung mit bis zu sechs Photonen. Die erzeugte Sechs-Teilchen-Verschränkung wurden dann zur ersten experimentellen Quanten Teleportation eines zusammengesetzten Zwei-Teilchen Zustandes, zur ersten Übertragung von Verschränkung über mehrere Abschnitte und zur ersten Implementierung eines teleportationsbasierten bedingten-NICHT-Gatters' für eine fehlertolerante Quantenrechnung verwendet. Die in dieser Dissertation entwickelten experimentellen Techniken sind fundamental sowohl für Anwendungen in der QIV, wie die Verbesserung der Kommunikationssicherheit und der Rechengeschwindigkeit als auch für zukünftige grundlegende Experimente der Quantenmechanik.

Translation of abstract (English)

Quantum information processing (QIP) with its applications in quantum communication and quantum computation has been one of the most rapidly emerging field of physics over the last twenty years. QIP is promising to allow tremendous improvements in communication security, computational speed and the ability to simulate quantum mechanical processes. This thesis describes four experiments on the physics of multi-photon entanglement and its application in QIP: We have implemented an event-ready source of polarization entangled photon pairs. We have developed an interferometer to generate multipartite entanglement between up to six photons. By exploiting the generated six-photon entanglement, we report the first experimental quantum teleportation of a two-qubit composite system, the first realization of multi-stage entanglement swapping and the first implementation of a teleportation-based controlled-NOT gate for fault-tolerant quantum computation. The experimental techniques developed in the course of this thesis are of great significance as well for applications in QIP allowing to improve communication security and computational speed as for future fundamental experiments on quantum mechanics.