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Engineering ultrafast quantum frequency conversion
Erscheinungsjahr
2014
Verknüpfte Titel
Beschreibungen/Notizen
Tag der Verteidigung: 26.03.2014
Paderborn, Univ., Diss., 2014
ger: Die Ultrakurzpuls-Quantenoptik ist ein junges Forschungsfeld. Sie beschäftigt sich vorwiegend mit Quantenphänomenen auf ultrakurzen Zeitskalen im Bereich einiger hundert Femtosekunden. In dieser Dissertation untersuchen wir die komplexe Zeit-Frequenz (ZF) Struktur von ultrakurzen Quantenpulsen, welche die natürliche Basis zur Beschreibung von Energie-Zeit Verschränkung, einer Ressource für hochdimensionale Quanteninformations Anwendungen, ist. Unsere Untersuchung von parametrischer Fluoreszenz (PF) führt zur Einführung eines neuen Energie-Zeit Verschränkungsmaßes, das sich auf viele PF Quellen anwenden lässt. Darüber hinaus bestimmen wir experimentell die Korrelationszeit von Photonenpaaren, die ein Maß für die Gleichzeitigkeit der Photonen ist. Sie hängt nicht von den Kohärenzeigenschaften des PF Pumplichts ab. Der Hauptteil unserer Arbeit beschäftigt sich mit zwei neuen Bauelementen für hochdimensionale ZF Quantennetzwerke, dem Quantenpulsgatter und dem Quantenpulsformer. Beide basieren auf Frequenzkonversion in nichtlinearen Wellenleitern mit angepasster Dispersion und ermöglichen eine modenselektive Manipulation der ZF Moden ultrakurzer Quantenpulse. Aus der bekannten PF Beschreibung entwickeln wir eine Theorie um die ZF Struktur unserer Bauelemente zu beschreiben und identifizieren ideale Parameter, welche wir verwenden um ein Quantenpulsgatter experimentell zu realisieren und zu verifizieren.
eng: Ultrafast quantum optics is a young research field. Its focus lies at the study of quantum phenomena at extreme timescales of a few hundreds of femtoseconds. In this thesis, we investigate the intricate time-frequency (TF) structure of ultrafast quantumstates of light. This structure is of particular interest, because it is the natural basis of energytime entanglement, a resource for high-dimensional quantum information applications. We study the process of parametric down-conversion (PDC) and introduce a novel measurefor energy-time entanglement which is applicable to many current PDC sources. Moreover, we experimentally investigate the correlation time of the photon pair, a measure of the simultaneityof the photons, and find that is independent of the spectral-temporal properties of the PDC pump. The main work is dedicated to two novel devices for high-dimensional TF quantum networks, the quantum pulse gate and quantum pulse shaper. Both are based on dispersion engineered frequency conversion in nonlinear waveguides and facilitate a mode-selective operation on TF modes of ultrafast quantum states. We develop a theoretical framework, similar to the existing PDC description, to describe the TF structure of our devices and identify ideal operation parameters. These are used to realise aquantum pulse gate in the laboratory and verify its mode-selective operation.