Příprava korelovaných párů fotonů a jejich využití v experimentech s kvantovým zpracováním informace

Mgr. Michal MIČUDA

Disertační práce

Anotace:

Cílem disertační práce je prezentace vědeckých výsledků na poli generace korelovaných párů fotonů získaných pomocí spontánní parametrické frekvenční sestupné konverze a jejich využití v experimentálním kvantovém zpracování informace. V první části disertační práce se věnujeme přípravě různých typů frekvenčních korelací kvantově provázaných fotonových párů generovaných pomocí spontánní parametrické frekvenční sestupné konverze. Experimentálně zde demonstrujeme úplnou kontrolu frekvenčních korelací kvantově provázaných párů fotonů pomocí metody naklonění čela pulzu. Metoda je založena na správném nastavení grupových rychlostí všech interagujících vln v nelineárním prostředí. K tomuto účelu se využívají svazky ovlivněné prostředím s úhlovou disperzí, jako je například difrakční mřížka. Nelineární prostředí je čerpané pomocí femtosekundových pulzů přičemž není potřeba použít žádné úzkopásmové frekvenční filtry. Byla implementována dvě experimentální uspořádání, jedno pro přímé a druhé pro nepřímé měření frekvenčních korelací, přičemž oba experimenty jasně prokazují flexibilitu a univerzalitu této techniky. Nejprve demonstrujeme generaci frekvenčních antikorelací kvantově provázaných párů fotonů. Dále ukazujeme, jak lze generovat frekvenčně korelované kvantově provázané páry fotonů, které mohou najít uplatnění například v kvantové metrologii. Posledním speciálním případem je generace frekvenčně zcela nekorelovaných párů fotonů. Je potřeba zdůraznit, že experimentálně demonstrované typy frekvenčních korelací jsou jen speciální případy všech korelací a šířek spektra, které lze s touto metodou dosáhnout. Metoda, kterou používáme, je nezávislá na vlnové délce a nelineárním prostředí, proto může být využita i tam, kde jiné řešení není k dispozici. V další části práce se zabýváme experimentální demonstrací programovatelného jednoqubitového kvantového fázového hradla. Tento kvantový procesor aplikuje unitární operaci fázového posuvu na datový qubit, přičemž tato operace je plně zakódována do stavu programového qubitu. Experimentální realizace jednoqubitového fázového hradla je založena na kódování qubitů do polarizačních stavů jednotlivých fotonů, dvoufotonové interferenci na polarizačním děliči svazku a následném měření výstupního programového qubitu. Programovatelné jednoqubitové fázové hradlo jsme charakterizovali pomocí úplné tomografie kvantového procesu. Dále jsme ukázali, že změnou programových stavů lze zařízení využít jako programovatelný částečný polarizační filtr. V závěrečné části práce se věnujeme optimální diskriminaci mezi dvěma projekčními kvantovými měřeními na jednom qubitu. Uvažujeme případ, kdy měření, které má být identifikováno, může být provedeno pouze dvakrát. Studované diskriminační strategie experimentálně demonstrujeme a testujeme jejich úspěšnost. Experiment využívá spontánní parametrickou sestupnou frekvenční konverzi pro přípravu požadovaných testovacích dvoufotonových polarizačních stavů, pasivní lineární optiku a projekční měření do polarizačních stavů jednotlivých fotonů. Ukazujeme zde, že adaptivní diskriminační strategie, kvantově provázané testovací stavy a zpětná vazba mohou zvýšit pravděpodobnost správné identifikace projekčního měření.

Abstract:

The aim of the thesis is to present my work in the field of generation of correlated photon pairs via spontaneous parametric down-conversion and their applications in quantum information processing experiments. The first part of the thesis describes various types of frequency correlations of entangled photon pairs generated via spontaneous parametric down-conversion. With the pulse-front tilt technique we demonstrate experimentally full control of the frequency correlations of entangled photon pairs. The method used to generate different frequency correlations is based on a proper tailoring of the group velocities of all interacting waves in the nonlinear medium through the use of beams with angular dispersion. The medium with angular dispersion, such as a diffraction grating, causes tilting of the pulse front. This part contains two different experiments: direct and indirect measurements of frequency correlations, showing possibilities of the mentioned technique. It is worth mentioning that the generated frequency correlations mentioned above are only particular cases of all the correlations and bandwidths that can be achieved with this technique. The technique, we employ, works independently of the wavelength and the nonlinear crystal, and therefore it can be implemented in materials and at wavelengths where conventional solutions are not available. In the next part of the thesis we experimentally demonstrate a programmable single-qubit quantum gate. This quantum processor applies a unitary phase shift operation to the data qubit with the value of the phase shift being fully determined by the state of the program qubit. Our linear optical implementation is based on encoding of qubits into polarization states of single photons, two-photon interference on a polarizing beam splitter, and measurement on the output program qubit. We characterize the programmable gate by full quantum process tomography. We show that by using a different set of program states the device can also operate as a programmable partial polarization filter. In the last part we investigate the optimal discrimination between two projective quantum measurements on a single qubit. We consider a scenario where the measurement that should be identified can be performed twice and we show that adaptive discrimination strategy, entangled probe states, and feed-forward all help to increase the probability of correct identification of the measurement. We also experimentally demonstrate the studied discrimination strategies and test their performance. The employed experimental setup involves projective measurements on polarization states of single photons and preparation of required probe two-photon polarization states by the process of spontaneous parametric down-conversion and passive linear optics.

Klíčová slova

nelinerní optika, generace neklasických stavů světla, frekvenční korelace, kvantové zpracování informace, diskriminace kvantovych projekčních operátorů

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 20. 1. 2012

Zveřejnit od: 20. 1. 2012

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 30. 1. 2012
• Vedoucí: Prof. RNDr. Miloslav Dušek, Dr.

UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Fyzika / Optika a optoelektronika