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Quantum cryptography: key distribution and beyond
Uniquely among the sciences, quantum cryptography has driven both
foundational research as well as practical real-life applications. We review
the progress of quantum cryptography in the last decade, covering quantum key
distribution and other applications.Comment: It's a review on quantum cryptography and it is not restricted to QK
Variational quantum circuit learning of entanglement purification in multi-degree-of-freedom
Quantum entanglement purification (EP) is a crucial technique for promising
the effective function of entanglement channel in noisy large-scale quantum
network. The previous EP protocols lack of a general circuit framework and
become complicated to design in high-dimensional cases. In this paper, we
propose a variational quantum circuit framework and demonstrate its feasibility
of learning optimal protocols of EP in multi-degree-of-freedom (DoF). By
innovatively introducing the additional circuit lines for representing the
ancillary DoFs, e.g. space and time, the parameterized quantum circuit can
effectively simulate the scalable EP process. As examples, well-known protocols
in linear optics including PSBZ, HHSZ+ and etc., are learnt successfully with
high fidelities and the alternative equivalent operations are discovered in
low-depth quantum circuit. Our work pays the way for exploring the EP protocols
with multi-DoF by quantum machine learning.Comment: 8 pages, 5 figures, comments are welcome
Multi-photon entanglement and applications in quantum information
Since the awareness of entanglement was raised by Einstein, Podolski, Rosen and Schrödinger
in the beginning of the last century, it took almost 55 years until entanglement entered the
laboratories as a new resource. Meanwhile, entangled states of various quantum systems
have been investigated. Sofar, their biggest variety was observed in photonic qubit systems.
Thereby, the setups of today's experiments on multi-photon entanglement can all be structured in the following way: They consist of a photon source, a linear optics network by which
the photons are processed and the conditional detection of the photons at the output of the
network.
In this thesis, two new linear optics networks are introduced and their application for
several quantum information tasks is presented. The workhorse of multi-photon quantum
information, spontaneous parametric down conversion, is used in different configurations to
provide the input states for the networks.
The first network is a new design of a controlled phase gate which is particularly interesting for applications in multi-photon experiments as it constitutes an improvement of
former realizations with respect to stability and reliability. This is explicitly demonstrated
by employing the gate in four-photon experiments. In this context, a teleportation and entanglement swapping protocol is performed in which all four Bell states are distinguished by
means of the phase gate. A similar type of measurement applied to the subsystem parts of
two copies of a quantum state, allows further the direct estimation of the state's entanglement
in terms of its concurrence. Finally, starting from two Bell states, the controlled phase gate is
applied for the observation of a four photon cluster state. The analysis of the results focuses
on measurement based quantum computation, the main usage of cluster states.
The second network, fed with the second order emission of non-collinear type II spontaneous parametric down conversion, constitutes a tunable source of a whole family of states.
Up to now the observation of one particular state required one individually tailored setup.
With the network introduced here many different states can be obtained within the same arrangement by tuning a single, easily accessible experimental parameter. These states exhibit
many useful properties and play a central role in several applications of quantum information.
Here, they are used for the solution of a four-player quantum Minority game. It is shown that,
by employing four-qubit entanglement, the quantum version of the game clearly outperforms
its classical counterpart.
Experimental data obtained with both networks are utilized to demonstrate a new method
for the experimental discrimination of different multi-partite entangled states. Although
theoretical classifications of four-qubit entangled states exist, sofar there was no experimental
tool to easily assign an observed state to the one or the other class. The new tool presented
here is based on operators which are formed by the correlations between local measurement
settings that are typical for the respective quantum state.Fast 55 Jahre vergingen bis die Entdeckung des Phänomens der Verschränkung durch Einstein, Podolski, Rosen und Schrödinger Ende des zwanzigsten Jahrhunderts Einzug in die
Labore hielt. Mittlerweile wurde eine Vielfalt von verschränkten Zuständen untersucht; die
größte davon in Systemen photonischer Qubits. Alle modernen Experimente zu viel-Photonen
Verschränkung lassen sich in drei wesentliche Bestandteile untergliedern: Eine Photonenquelle, ein Netzwerk aus linearen optischen Komponenten welches die Photonen verarbeitet, und
eine bedingte Detektion der Photonen am Ausgang des Netzwerks.
Die vorliegende Arbeit führt zwei neue Netzwerke ein und präsentiert deren Anwendungen in
verschiedenen Problemstellungen der Quanteninformation. Als Photonenquelle dient hierbei
der Prozeß der spontanen parametrischen Fluoreszenz in unterschiedlichen Konfigurationen.
Das erste Netzwerk ist ein neuartiges Kontroll-Phasengatter das sich gegenüber früheren Realisierungen vor allem durch seine hohe Stabilität auszeichnet. Wie anhand mehrerer Beispiele
gezeigt wird, eignet es sich besonders für den Einsatz in mehr-Photonen Experimenten. Mit
Hilfe des Gatters werden alle vier Bell Zustände in einem Teleportations- und "entanglement
swapping" Experiment unterschieden. Ein ähnlicher experimenteller Aufbau erlaubt ferner
die direkte Messung der Verschränkung zweier Kopien eines Zustands in Form der "Concurrence". Ausgehend von zwei Bell Zuständen wird das Gatter darüberhinaus zur Beobachtung
eines Vier-Photonen "Cluster Zustands" verwendet. Die Analyse der Ergebnisse konzentriert
sich dabei auf die Hauptanwendung von Cluster Zuständen, das meßbasierte Quantenrechnen.
Das zweite Netzwerk bildet, zusammen mit der Emission zweiter Ordnung der parametrischen
Fluoreszenz als Input, eine einstellbare Quelle verschiedenster Zustände. Während die Beobachtung eines Zustands bisher einen individuell maßgeschneiderten Versuchsaufbau benötigte,
können mit dem neuen Netzwerk viele verschiedene Zustände innerhalb desselben Aufbaus beobachtet werden. Dies erfordert lediglich die Veränderung eines einzelnen, leicht zugänglichen
experimentellen Parameters. Die so erzeugten Zustände besitzen eine Reihe nützlicher Eigenschaften und spielen eine zentrale Rolle in vielen Anwendungen. Hier werden sie zur Lösung
eines vier-Parteien Quanten "Minority" Spiels verwendet. Es wird gezeigt, dass die Quanten
Version des Spiels durch den Einsatz von vier-Qubit Verschränkung sein klassisches Pendant
an Möglichkeiten deutlich übertrifft.
Mit Hilfe experimenteller Daten beider Netzwerke wird eine neue Methode der Unterscheidung vier-Qubit verschränkter Zustände vorgestellt. Obwohl theoretische Klassifizierungen
verschränkter Zustände existieren, gab es bisher keine einfache experimentelle Methode einen
beobachteten Zustand der einen oder anderen Klasse zuzuordnen. Das hier vorgestellte Konzept ermöglicht eine experimentelle Klassifizierung basierend auf Operatoren die aus zustandsabhängigen Korrelationsmessungen bestimmt werden
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