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Bennet Fischer
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High-dimensional one-way quantum processing implemented on d-level cluster states

Christian Reimer et al.Nov 19, 2018
Taking advantage of quantum mechanics for executing computational tasks faster than classical computers1 or performing measurements with precision exceeding the classical limit2,3 requires the generation of specific large and complex quantum states. In this context, cluster states4 are particularly interesting because they can enable the realization of universal quantum computers by means of a ‘one-way’ scheme5, where processing is performed through measurements6. The generation of cluster states based on sub-systems that have more than two dimensions, d-level cluster states, provides increased quantum resources while keeping the number of parties constant7, and also enables novel algorithms8. Here, we experimentally realize, characterize and test the noise sensitivity of three-level, four-partite cluster states formed by two photons in the time9 and frequency10 domain, confirming genuine multi-partite entanglement with higher noise robustness compared to conventional two-level cluster states6,11–13. We perform proof-of-concept high-dimensional one-way quantum operations, where the cluster states are transformed into orthogonal, maximally entangled d-level two-partite states by means of projection measurements. Our scalable approach is based on integrated photonic chips9,10 and optical fibre communication components, thus achieving new and deterministic functionalities. The creation and manipulation of large quantum states is necessary for quantum information processing tasks. Three-level, four-partite cluster states have now been created in the time and frequency domain of two photons on-chip.
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Quantum key distribution implemented with d-level time-bin entangled photons

Hao Yu et al.Jan 2, 2025
Abstract High-dimensional photon states (qudits) are pivotal to enhance the information capacity, noise robustness, and data rates of quantum communications. Time-bin entangled qudits are promising candidates for implementing high-dimensional quantum communications over optical fiber networks with processing rates approaching those of classical telecommunications. However, their use is hindered by phase instability, timing inaccuracy, and low scalability of interferometric schemes needed for time-bin processing. As well, increasing the number of time bins per photon state typically requires decreasing the repetition rate of the system, affecting in turn the effective qudit rates. Here, we demonstrate a fiber-pigtailed, integrated photonic platform enabling the generation and processing of picosecond-spaced time-bin entangled qudits in the telecommunication C band via an on-chip interferometry system. We experimentally demonstrate the Bennett-Brassard-Mermin 1992 quantum key distribution protocol with time-bin entangled qudits and extend it over a 60 km-long optical fiber link, by showing dimensionality scaling without sacrificing the repetition rate. Our approach enables the manipulation of time-bin entangled qudits at processing speeds typical of standard telecommunications (10 s of GHz) with high quantum information capacity per single frequency channel, representing an important step towards an efficient implementation of high-data rate quantum communications in standard, multi-user optical fiber networks.