Manipulating Transverse Modes of Photons for Quantum Cryptography

Several schemes have been proposed to extend Quantum Key Distribution protocols aiming at improving their security or at providing new physical substrates for qubit implementation. We present a toolbox to jointly create, manipulate and measure qubits stored in polarization and transverse-modes degrees of freedom of single photons. The toolbox includes local operations on single qubits, controlled operations between the two qubits and projective measurements over a wide variety of non-local bases in the four dimensional space of states. We describe how to implement the toolbox to perform an extended version of the BB84 protocol for this Hilbert space (ideally transmitting two key bits per photon). We present the experimental implementation of the measurement scheme both in the regimes of intense light beams and with single photons. Thus, we show the feasibility of implementing the protocol providing an interesting example of a new method for quantum information processing using the polarization and transverse modes of light as qubits.Comment: 9 pages, 7 figures, 5 table

Rubidium D2 line spectroscopy with an external cavity diode laser

En este trabajo se detalla el armado de un láser sintonizable por realimentación con cavidad externa y su utilización para realizar espectroscopia de ultra alta resolución de la estructura hiperfina del Rubidio. El láser consistió en un diodo de grabadora de CD realimentado con una red de difracción en condición Littrow con selectividad en la frecuencia de emisión por variaciones del ángulo de la red y la corriente de alimentación y la temperatura del diodo. El montaje permitió sintonizar modos de emisión de hasta 4 nm alrededor de la longitud de onda típica del diodo, de 780 nm, lo que incluye los 780,24 nm de la transición Rb 5²P3/2 ← 5²S½. Se utilizó la variación simultánea y sincronizada de la corriente y del ángulo de la red para obtener barridos continuos en frecuencia de hasta 20 pm de extensión, lo que permitió obtener el espectro de absorción completo dentro del límite Doppler. Se identificaron las líneas correspondientes a las dos variedades isotópicas (85Rb y 87Rb) y se corroboró la efectividad del dispositivo comparando los resultados con los valores reportados en la literatura de la composición isotópica de abundancia natural y del espectro.Fil: Luda, Marcelo Alejandro. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Instituto de Investigaciones Científicas y Técnicas para la Defensa. Centro de Investigación en Láseres y Aplicaciones; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Unidad de Investigación y Desarrollo Estratégico para la Defensa. Ministerio de Defensa. Unidad de Investigación y Desarrollo Estratégico para la Defensa; ArgentinaFil: Codnia, Jorge. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Instituto de Investigaciones Científicas y Técnicas para la Defensa. Centro de Investigación en Láseres y Aplicaciones; ArgentinaFil: Azcárate, María Laura. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Instituto de Investigaciones Científicas y Técnicas para la Defensa. Centro de Investigación en Láseres y Aplicaciones; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Unidad de Investigación y Desarrollo Estratégico para la Defensa. Ministerio de Defensa. Unidad de Investigación y Desarrollo Estratégico para la Defensa; Argentin

Compact embedded device for lock-in measurements and experiment active control

We present a multi-purpose toolkit for digital processing, acquisition, and feedback control designed for physics labs. The kit provides in a compact device the functionalities of several instruments: function generator, oscilloscope, lock-in amplifier, proportional-integral-derivative filters, ramp scan generator, and a lock-control. The design combines field-programmablegate-array processing and microprocessor programing to get precision, ease of use, and versatility. It can be remotely operated through the network with different levels of control: from simple off-the-shelf Web graphical user interface to remote script control or in-device programmed operation. Three example applications are presented in this work on laser spectroscopy and laser locking experiments. The examples include side-fringe locking, peak locking through lock-in demodulation, and complete in-device Pound–Drever–Hall modulation and demodulation at 31.25 MHz and advanced acquisition examples like real-time data streaming for remote storage.Fil: Luda, Marcelo Alejandro. Ministerio de Defensa. Instituto de Investigaciones Científicas y Técnicas para la Defensa; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Drechsler, Martin. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Schmiegelow, Christian Tomás. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Codnia, Jorge. Ministerio de Defensa. Instituto de Investigaciones Científicas y Técnicas para la Defensa; Argentin

Scalable Creation of Long-Lived Multipartite Entanglement

We demonstrate the deterministic generation of multipartite entanglement based on scalable methods. Four qubits are encoded in Ca+40, stored in a microstructured segmented Paul trap. These qubits are sequentially entangled by laser-driven pairwise gate operations. Between these, the qubit register is dynamically reconfigured via ion shuttling operations, where ion crystals are separated and merged, and ions are moved in and out of a fixed laser interaction zone. A sequence consisting of three pairwise entangling gates yields a four-ion Greenberger-Horne-Zeilinger state |ψ=(1/2)(|0000+|1111), and full quantum state tomography reveals a state fidelity of 94.4(3)%. We analyze the decoherence of this state and employ dynamic decoupling on the spatially distributed constituents to maintain 69(5)% coherence at a storage time of 1.1 sec.Fil: Kaufmann, H.. University Mainz. Institute of Inorganic and Analytical Chemistry, Johannes Gutenberg; AlemaniaFil: Ruster, T.. University Mainz. Institute of Inorganic and Analytical Chemistry, Johannes Gutenberg; AlemaniaFil: Schmiegelow, Christian Tomás. Universidad de Buenos Aires; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Luda, Marcelo Alejandro. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Kaushal, V.. University Mainz. Institute of Inorganic and Analytical Chemistry, Johannes Gutenberg; AlemaniaFil: Schulz, Juan Sebastián. University Mainz. Institute of Inorganic and Analytical Chemistry, Johannes Gutenberg; AlemaniaFil: Von Lindenfels, D.. University Mainz. Institute of Inorganic and Analytical Chemistry, Johannes Gutenberg; AlemaniaFil: Schmidt-Kaler, F.. University Mainz. Institute of Inorganic and Analytical Chemistry, Johannes Gutenberg; AlemaniaFil: Poschinger, U. G.. University Mainz. Institute of Inorganic and Analytical Chemistry, Johannes Gutenberg; Alemani

Entanglement-Based dc magnetometry with separated ions

We demonstrate sensing of inhomogeneous dc magnetic fields by employing entangled trapped ions, which are shuttled in a segmented Paul trap. As sensor states, we use Bell states of the type j↑↓i þ eiφj↓↑i encoded in two 40Caþ ions stored at different locations. The linear Zeeman effect leads to the accumulation of a relative phase φ, which serves for measuring the magnetic-field difference between the constituent locations. Common-mode magnetic-field fluctuations are rejected by the entangled sensor state, which gives rise to excellent sensitivity without employing dynamical decoupling and therefore enables accurate dc sensing. Consecutive measurements on sensor states encoded in the S1=2 ground state and in the D5=2 metastable state are used to separate an ac Zeeman shift from the linear dc Zeeman effect. We measure magnetic-field differences over distances of up to 6.2 mm, with accuracies down to 300 fT and sensitivities down to 12 pT/√Hz. Our sensing scheme features spatial resolutions in the 20-nm range. For optimizing the information gain while maintaining a high dynamic range, we implement an algorithm for Bayesian frequency estimation.Fil: Ruster, T.. University Mainz. Institute of Inorganic and Analytical Chemistry, Johannes Gutenberg; AlemaniaFil: Kaufmann, H.. University Mainz. Institute of Inorganic and Analytical Chemistry, Johannes Gutenberg; AlemaniaFil: Luda, Marcelo Alejandro. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Kaushal, V.. University Mainz. Institute of Inorganic and Analytical Chemistry, Johannes Gutenberg; AlemaniaFil: Schmiegelow, Christian Tomás. University Mainz. Institute of Inorganic and Analytical Chemistry, Johannes Gutenberg; Alemania. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Schmidt-Kaler, F.. University Mainz. Institute of Inorganic and Analytical Chemistry, Johannes Gutenberg; AlemaniaFil: Poschinger, U.G.. Universidad de Buenos Aires; Argentin