Kurzfassung
Gequetschtes Licht ist eine Schlüsseltechnologie, die Quantenkorrelationen zeigt und Gegenstand aktueller Forschung sowie Anwendung ist. Erstmals im Jahr 1970 beschrieben, wird gequetschtes Licht heute in Gravitationswellen-detektoren eingesetzt und unter anderem für die Gebiete Quantensensorik, Quantenkommunikation und photonische Quantencomputer erforscht und entwickelt. Werden die Ausgänge zweier Quetschlichtquellen überlagert, entstehen verschränkte Zustände, die quantenkorrelierte Ergebnisse bei Quadraturmessungen aufweisen. Zusammen mit dem No-cloning Theo-rem bilden diese beiden Eigenschaften eine Grundlage für die Realisierung von Quantenschlüsselverteilung mit kontinuierlichen Variablen. Dabei ist die mögliche Schlüsselrate proportional zur Bandbreite der erzeugten ge-quetschten Zustände. Aus diesem Grund wurden für diese Arbeit mono-lithische Quetschlichtresonatoren mit GHz Bandbreite gewählt.
Der Fokus dieser Dissertation liegt auf der Verteilung und Phasenstabili-sierung von gequetschten Vakuumzuständen und verschränkten (zwei Moden gequetschten) Zuständen, die über einen rauschbehafteten Faserkanal mit einem Kilometer Länge in ein anderes Gebäude verteilt wurden. Um die umweltbedingten Störeinflüsse zu kompensieren, habe ich Regelschleifen nach dem Schema eines quantum noise locks entwickelt und implementiert. In einer ersten Anwendung wurde die Phasenstabilisierung von gequetschtem Vakuum nach 1 km Fasertransmission gezeigt. Dabei habe ich eine nichtklassische Rauschunterdrückung von 4.7 dB bei 30 MHz Seitenbandfrequenz sowie über 2 dB oberhalb von 1 GHz gemessen und eine Langzeitmessung von fünf Minuten abgeschlossen. In einem zweiten Schritt habe ich das Schema um Echtzeitsynchronisierung und -subtraktion erweitert, um die Auslesephase von kreissymmetrischen verschränkten Zuständen zu stabilisieren. Ohne Verteilung konnte ich eine korrelierte Rauschunterdrückung von etwa 4 dB erreichen und mit zwischen zwei Laboren verteilten Zuständen etwa 3 dB. Die Ergebnisse zeigen, dass das Schema für diese Anwendung geeignet ist und keine fundamentalen Limitierungen aufweist. Eine Erweiterung zu ca. 5 km Faserlänge ist ebenso möglich wie die Implementierung in anderen Anwendungen wie z. B. verteilter Fasersensorik.
Abstract Squeezed light is a key resource that exhibits quantum correlations and is subject of current research and application. First described in 1970, squeezed light is used today in gravitational wave detectors and is being researched and developed for fields such as quantum sensing, quantum communication, and photonic quantum computers. By overlapping the outputs of two squeezed light sources, entangled states are created that exhibit quantum correlated results of quadrature measurement. Together with the no-cloning theorem, these two properties form a basis for the realization of continuous-variable quantum key distribution. The potential key rate is proportional to the bandwidth of the generated squeezed states. For this reason, monolithic squeezed light resonators with GHz bandwidth were chosen for this work. The focus of this dissertation is on the distribution and phase stabilization of squeezed vacuum states and entangled (two-mode squeezed) states, which were distributed over a noisy fiber channel of one kilometer length to another building. To compensate for environmental disturbances, I developed and implemented control loops based on the principle of a quantum noise lock. In a first application, the phase stabilization of squeezed vacuum states after 1 km of fiber transmission was demonstrated. Noise reduction of 4.7 dB at a sideband frequency of 30 MHz and over 2 dB above 1 GHz were measured, and a long-term measurement of five minutes was completed. In a second step, I extended the scheme to include real-time synchronization and subtraction to stabilize the readout phase of spherically symmetric entangled states. Without distribution, a correlated noise reduction of approximately 4 dB was achieved, and approximately 3dB with states distributed between two laboratories. The results show that the feedback control scheme is suitable for this application and exhibits no fundamental limitations. An extension to approximately 5 km of fiber length is possible, as is implementation in other applications such as distributed fiber sensing.