AbstractsAstronomy & Space Science

Quantum information science possesses promising potentialities for developing new secure and efficient ways to transfer and process information. Prodigious efforts have been and are being devoted, however, a scalable architecture is still a considerable challenge. Among the potential candidates, photons are assumed to be good carriers, and neutral atoms good hosts. In this thesis, photon-matter entanglement sources, which exploit the advantages of both, are employed to demonstrate a teleportation between two atomic-ensemble quantum memory nodes and an efficient entanglement swapping, which are essential for scalable quantum networks. Later, the entanglement source is further developed, and an active feedforward one-way quantum computation is presented with stationary quantum memories, which are necessary for scalable quantum computers. To fulfill another feature of scalability, the ease of integration, ultracold atoms in two-dimensional optical superlattices are studied and an experiment is designed to generate four-qubit entangled states. With the help of the photon-matter entanglement sources, serving as quantum memories and nodes of quantum networks, realization of large-scale quantum networks is foreseeable. Meanwhile, by applying controllable interactions, large entangled states could be generated in optical superlattices, which might help to construct quantum processors that outperform the classical counterparts. Die Quanteninformatik bietet vielversprechende Möglichkeiten für die Entwicklung sicherer und effizienter neuer Arten, um Informationen zu übertragen und zu verarbeiten. Außerordenliche Anstrengungen wurden und werden in dieser Richtung unternommen, jedoch ist die Realisierung einer skalierbaren Struktur noch immer eine beträchtliche Herausforderung. Unter den möglichen Kandidaten gelten Photonen als gute Überbringer und neutrale Atome als gute Speicher. In dieser Dissertation werden Quellen für die Verschränkung von Photonen mit Materie, die die Vorteile beider Systeme ausnutzen, eingesetzt, um die für skalierbare Quantennetzwerke notwendigen Techniken der Teleportation und des effizienten Verschränkungsaustauschs zwischen zwei atomaren Quantenspeichernknoten vorzuführen. Weiterhin werden diese Verschränkungsquellen weiterentwickelt und eine aktiv vorwärtsgesteuerte Einweg-Quantenberechnung mit stationären Quantenspeichern vorgestellt, die für die Skalierbarkeit eines Quantencomputers benötigt wird. Um ein anderes Merkmal der Skalierbarkeit, die einfache Erweiterbarkeit, zu erfüllen, werden ultrakalte Atome in einem zwei-dimensionalen optischen Übergitter untersucht und ein Experiment zur Herstellung von Vierteilchenverschränkung wird entwickelt. Mit Hilfe der Photonen-Materie Verschränkungsquellen, eingesetzt als Quantenspeicher und als Knoten in Quantennetzwerken, ist die Verwirklichung von großflächigen Quantennetzwerken absehbar. Währenddessen könnten große verschränkte Zustände in optischen Übergittern durch die Anwendung von kontrollierten Wechselwirkungen hergestellt werden, die dabei…