Details

Autor(en) / Beteiligte

• Harder, Georg
• Silberhorn, Christine[Akademischer Betreuer]
• Meier, Torsten[Akademischer Betreuer]

Titel

Optimized down-conversion source and state-characterization tools for quantum optics

Ort / Verlag

Paderborn

Erscheinungsjahr

2016

Verknüpfte Titel

Beschreibungen/Notizen

• Tag der Verteidigung: 03.06.2016
• Dissertation
• ger: Parametrische Fluoreszenz (PDC) hat sich zu einem Standardprozess für die Erzeugung von Lichtquantenzuständen etabliert. Doch trotzt vieler erfolgreicher konzeptioneller Demonstrationen, bleiben echte Anwendungen wie etwa die Quantenkommunikation in großen Netzwerken oder die Simulation von Quantenprozessen unpraktikabel. Der Grund hierfür liegt unter anderem in den hohen Anforderungen an die Erzeugung, Manipulation und Messung von Quantenzuständen. In dieser Arbeit führen wir die Entwicklung von PDC-Quellen fort mit dem Ziel, die Qualität und Größe von Quantenzuständen zu erhöhen. Wir implementieren eine Quelle, die nahezu ununterscheidbare Photonenpaare in nur eine spektrale und räumliche Mode emittiert. Dies vereinfacht die potenzielle Integration in ein größeres Quantennetzwerk mit mehreren solchen Quellen. Darüber hinaus demonstrieren wir, dass der Einzelmodencharakter der Quelle für Mehrphotonenzustände erhalten bleibt, indem wir Photonenzahlmessungen auf den Paarmoden der PDC mit bis zu 80 Photonen pro Mode durchführen. Dies zeigt, dass aktuelle Experimente, die mit einzelnen oder wenigen Photon arbeiten, prinzipiell in ein Multiphotonenregime erweiterbar sind, sodass höherdimensionale Hilberträume und größere Nichtklassische Zustände realisierbar werden. Ergänzend zur Implementierung der Quelle untersuchen wir, wie Techniken zur Charakterisierung von Quantenzuständen verbessert oder vereinfacht werden können, um experimentellen Anforderungen wie etwa begrenzten Ressourcen oder nicht idealen Detektoren entgegen zu kommen. Wir demonstrieren Methoden um die Photonenzahlverteilung von Quantenzuständen zu messen, ihre Nichtklassizität nachzuweisen und die Stärke von zweimodengequetschten Zuständen zu ermitteln.
• eng: Parametric down-conversion (PDC) has become a common source for quantum states of light. Nevertheless, despite a wide adoption in proof of principle experiments,practical applications in large networks for communication or simulation remain unfeasible due to the high demands on the performance of sources and processes. In this thesis, we continue to develop PDC sources with the goal of increasing the quality and size of nonclassical states. We realize a source which produces photon pairs with high indistinguishability into a single spatial and spectral mode, simplifying potential integration into a multisource quantum network. We further demonstrate that the single-mode operation is maintained in the multiphoton regime by measuring photon-number correlations between the two down-conversion ports with up to 80 photons in each port. This demonstrates that the few-photon regime of current experiments based on PDC can in principle be extended into a many-photon regime, greatly increasing the dimensionality of accessible Hilbert spaces and the size of nonclassical states. Complementing our work on sources, we investigate how quantum characterization schemes can be improved or simplified. We demonstrate that photon-number distributions can be inferred using only a single avalanche photodiode and a thermal noise source. We further investigate a technique called pattern tomography to analyze measurements with imperfect time-multiplexing detectors. This allows us to circumvent the challenging task of full detector tomography and reconstruct low-photon-number PDC states, heralded states and displaced states. Moreover, we develop and demonstrate a technique to infer vacuum two-mode squeezing with a phase-randomized local oscillator. This poses an alternative to homodyne detection, which requires phase stability. Finally, we show that nonclassical correlations can be certified...