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Theory of ultrafast waveguided parametric down-conversion : From fundamentals to applications
Erscheinungsjahr
2013
Verknüpfte Titel
Beschreibungen/Notizen
Tag der Verteidigung: 16.01.2013
Paderborn, Univ., Diss., 2013
ger: In der Quantenoptik gib es kaum einen Prozess der öfter eingesetzt wird als die Parametrische Fluoreszenz (PDC). Doch trotz der weiten Verbreitung bereitet die theoretische Beschreibung der PDC noch immer Schwierigkeiten. In dieser Dissertation beschäftigen wir uns mit diesem Problem und erweitern die gegenwärtige störungstheoretische Beschreibung von “ultrafast” PDC in Wellenleitern um sowohl den räumlichen als auch den spektralen Freiheitsgrad [1, 2]. Weiterhin gehen wir über diese störungstheoretischen Betrachtungen hinaus und entwickeln eine numerische und eine vereinfachte analytisches rigorose theoretische Modellierung der PDC, die sich überdies zur Beschreibung von Frequenzkonversion eignet [3]. Dieses tiefgreifende Verständnis der PDC ermöglicht es uns zukünftige Anwendungen der PDC im Bereich der Quanteninformation zu erforschen: Wir untersuchen wie gut PDC eine deterministische Einphotonenquelle annähern kann [5], präsentieren eine neue Methode die spektralen Eigenschaften der PDC unabhängig von der Dispersion im Kristall zu verändern [5] und entwickeln einen neuen Ansatz um PDC, robust, einfach und, vor allem, verlustunabhängig zu charakterisieren [6]. Schließlich stellen wir ein gemultiplextes Quantenkommunikationsprotokoll vor welches, basierend auf den multimodigen Eigenschaften der PDC, exponentiell höhere Datenraten, als vergleichbare einmodige Protokolle ermöglicht [7].
eng: In experimental implementations of photonic quantum systems parametric down-conversion (PDC) is omnipresent, yet despite its widespread deployment the theoretical treatment of PDC remains challenging. In this thesis we address this problem and develop a theoretical model of ultrafast waveguided PDC extending the current perturbation approaches to include the spatial and spectral degree of freedom [1, 2]. We further investigate PDC beyond the perturbation approximation and put forward a rigorous theoretical description as well as a simplified analytical model [3], which also enables the theoretical treatment of frequency conversion processes. This theoretical framework of PDC enables us to research future applications for PDC in quantum enhanced applications: We explore the limits of PDC to serve as a source of single photons [4], present a new approach to engineer the spectral properties of PDC sources independently of the dispersion properties of the applied nonlinear crystal [5] and put forward a new method to characterize PDC sources in the lab, which is robust, simple and most importantly loss independent [6]. Finally, we develop a new multiplexed quantum communication protocol which, based on the multi-mode nature of PDC, enables exponentially higher quantum communication rates than the standard single-mode coding [7].