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Zusammenfassung
  • Die rasante Entwicklung der Quantentechnologien hat die Quantenkommunikation maßgeblich vorangetrieben. Eine neue Grenze ist der Einsatz hochdimensionaler Quantenzustände (Qudits), die Fähigkeiten jenseits konventioneller binärer Systeme erschließen. Diese Arbeit entwickelt und demonstriert ein vollständiges experimentelles Framework für die Quantenkommunikation mit Qudits, die in der Zeit-Frequenz-Domäne von Photonen kodiert sind.Zwei Hauptelemente bilden den Kern dieser Arbeit: die Entwicklung einer programmierbaren Quelle hochdimensional verschränkter Zeit-Frequenz-Zustände und die Realisierung eines vielseitigen, hochdimensionalen Quantendecoders, des Multi-Ausgangs-Quantenpulsgatters. Wir implementieren diese Bauteile mittels integrierter nichtlinearer Prozesse wie parametrischer Fluoreszenz und Summenfrequenzerzeugung. Präzise Kontrolle wird durch Dispersionsanpassung in Wellenleitern und spektrale Formung von Pump-Pulsen erreicht.Anschließend demonstrieren wir die Vielseitigkeit dieses Frameworks anhand einer Reihe von Anwendungen in der Quantenkommunikation und darüber hinaus. Wir realisieren ein vollständiges System zur hochdimensionalen Quantenschlüsselverteilung, führen verbesserte Methoden zur Quantenzustandscharakterisierung ein und gewinnen neue Einblicke in grundlegende Aspekte der Quanteninformation, wie die Verbindung zwischen Unschärferelationen und den Eigenschaften von wechselseitig unvoreingenommenen Basen in hohen Dimensionen.
Abstract
  • The rapid advancement of quantum technologies has driven major progress in quantum communication. A new frontier in this field is the use of high-dimensional quantum states (qudits), which unlock capabilities beyond what is possible with conventional binary systems. In this thesis, we develop and demonstrate a complete experimental framework for quantum communication using qudits encoded in the time-frequency domain of photons.Two main elements form the core of this work: the development of a programmable source of high-dimensional entangled time-frequency states, and the realization of a versatile high-dimensional quantum decoder, the multi-output quantum pulse gate. We implement these devices using integrated nonlinear optical processes, namely parametric down-conversion for state generation and sum-frequency generation for state manipulation and detection. We achieve precise control over these processes by tailoring them via dispersion engineering of nonlinear waveguides and spectral shaping of pump pulses.We then showcase the versatility of this framework through a range of applications in quantum communication and beyond. We realize a complete high-dimensional quantum key distribution system, introduce improved quantum state characterization techniques, and provide new experimental insights into fundamental aspects of quantum information, such as the connection between uncertainty relations and the properties of mutually unbiased bases in high dimensions.
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