Evaluation of nitrogen- and silicon-vacancy defect centres as single photon sources in quantum key distribution

We demonstrate a quantum key distribution (QKD) testbed for room temperature single photon sources based on defect centres in diamond. A BB84 protocol over a short free-space transmission line is implemented. The performance of nitrogen-vacancy (NV) as well as silicon-vacancy defect (SiV) centres is evaluated and an extrapolation for next-generation sources with enhanced efficiency is discussed.Comment: 14 pages, 5 figure

Autonomous Maxwell's demon in a cavity QED system

We present an autonomous Maxwell's demon scheme. It is first analysed theoretically in term of information exchange in a closed system and then implemented experimentally with a single Rydberg atom and a high-quality microwave resonator. The atom simulates both a qubit interacting with the cavity, and a demon carrying information on the qubit state. While the cold qubit crosses the hot cavity, the demon prevents energy absorption from the cavity mode, apparently violating the second law of thermodynamics. Taking into account the change of the mutual information between the demon and the qubit-cavity system gives rise to a generalized expression of the second law that we establish and measure. Finally, considering the closed qubit-cavity-demon system, we establish and measure that the generalized second law can be recast into an entropy conservation law, as expected for a unitary evolution.Comment: 6 pages, 3 figure

Trajectory tomography of delocalized states of two microwave cavities

La reconstruction d'états quantiques, ou tomographie, joue un rôle central dans les technologies quantiques, afin de caractériser les opérations effectuées et d'extraire de l'information sur les états résultats de traitements d'information quantique. Les méthodes répandues de tomographie reposent généralement sur des mesures idéales, effectuées une seule fois sur chaque préparation de l'état d'intérêt. Dans ce travail, nous utilisons une nouvelle méthode, appelée tomographie par trajectoires, qui consiste à enregistrer, pour chaque réalisation de l'état, la trajectoire quantique suivie par le système à l'aide d'une série de mesures successives du système, en présence d'imperfections expérimentales et de décohérence. On extrait alors plus d'information sur l'état à reconstruire et on est capable, à partir d'un ensemble de mesures accessibles données, de créer des mesures plus générales. À l'aide des techniques de l'électrodynamique quantique en cavité, nous avons préparé des états intriqués de photons micro-onde délocalisés sur deux modes distants. Nous avons ensuite reconstruit ces états par tomographie par trajectoires, dans un espace de Hilbert de grande dimension. Nous montrons que cette méthode permet de reconstruire l'état, de développer des stratégies de mesure adaptées pour accélérer l'extraction d'information sur les cohérences quantiques d'intérêt et qu'elle fournit une estimation de l'incertitude sur les coefficients de la matrice densité reconstruite.Quantum state estimation, or tomography, is a key component of quantum technologies, allowing to characterise quantum operations and to extract information on the results of quantum information processes. The usual tomography techniques rely on ideal, single-shot measurements of the unknown state. In this work, we use a new approach, called trajectory quantum tomography, where the quantum trajectory of each realization of the state is recorded through a series of measurements, including experimental imperfections and decoherence. This strategy increases the extracted amount of information and allows to build new measurements for a set of feasible measurements.Using the tools of cavity quantum eletrodynamics, we have prepared entangled states of microwave photons spread on two separated modes. We have then performed a trajectory tomography of these states, in a large Hilbert space. We have proved that this method allows to estimate the state, to develop faster strategies for extracting information on specific coherences of the state and to compute error bars on the components of the estimated density matrix

Tomographie par trajectoires d'états délocalisés du champ micro-onde de deux cavités

Quantum state estimation, or tomography, is a key component of quantum technologies, allowing to characterise quantum operations and to extract information on the results of quantum information processes. The usual tomography techniques rely on ideal, single-shot measurements of the unknown state. In this work, we use a new approach, called trajectory quantum tomography, where the quantum trajectory of each realization of the state is recorded through a series of measurements, including experimental imperfections and decoherence. This strategy increases the extracted amount of information and allows to build new measurements for a set of feasible measurements.Using the tools of cavity quantum eletrodynamics, we have prepared entangled states of microwave photons spread on two separated modes. We have then performed a trajectory tomography of these states, in a large Hilbert space. We have proved that this method allows to estimate the state, to develop faster strategies for extracting information on specific coherences of the state and to compute error bars on the components of the estimated density matrix.La reconstruction d'états quantiques, ou tomographie, joue un rôle central dans les technologies quantiques, afin de caractériser les opérations effectuées et d'extraire de l'information sur les états résultats de traitements d'information quantique. Les méthodes répandues de tomographie reposent généralement sur des mesures idéales, effectuées une seule fois sur chaque préparation de l'état d'intérêt. Dans ce travail, nous utilisons une nouvelle méthode, appelée tomographie par trajectoires, qui consiste à enregistrer, pour chaque réalisation de l'état, la trajectoire quantique suivie par le système à l'aide d'une série de mesures successives du système, en présence d'imperfections expérimentales et de décohérence. On extrait alors plus d'information sur l'état à reconstruire et on est capable, à partir d'un ensemble de mesures accessibles données, de créer des mesures plus générales. À l'aide des techniques de l'électrodynamique quantique en cavité, nous avons préparé des états intriqués de photons micro-onde délocalisés sur deux modes distants. Nous avons ensuite reconstruit ces états par tomographie par trajectoires, dans un espace de Hilbert de grande dimension. Nous montrons que cette méthode permet de reconstruire l'état, de développer des stratégies de mesure adaptées pour accélérer l'extraction d'information sur les cohérences quantiques d'intérêt et qu'elle fournit une estimation de l'incertitude sur les coefficients de la matrice densité reconstruite

Benchmarking Maximum-Likelihood State Estimation with an Entangled Two-Cavity State

3 figures, Supplementary informationInternational audienceThe efficient quantum state reconstruction algorithm described in [P. Six et al., Phys. Rev. A 93, 012109 (2016)] is experimentally implemented on the non-local state of two microwave cavities entangled by a circular Rydberg atom. We use information provided by long sequences of measurements performed by resonant and dispersive probe atoms over time scales involving the system decoherence. Moreover, we benefit from the consolidation, in the same reconstruction, of different measurement protocols providing complementary information. Finally, we obtain realistic error bars for the matrix elements of the reconstructed density operator. These results demonstrate the pertinence and precision of the method, directly applicable to any complex quantum system