Quantum correlations of light produced in spontaneous parametric frequency down-conversion process

Ievgen ARKHIPOV

Disertační práce

Fotopulzní statistics and spatial correlation in nonlinear optical processes and their measurement

Anotace:

Tato práce je věnována studiu kvantových korelací mezi světelnými poli generovanými v procesu spontánní sestupné parametrické frekvenční konverze. Pozornost je rovněž věnována schopnosti takových polí generovat další neklasické stavy, jakožto i jejich aplikacím při řešení problémů s rekonstrukcí neznámých Gaussovských stavů světla. Předložená dizertační práce sestává ze sedmi kapitol a je organizována následovně. Kapitola jedna poskytuje úvod do problematiky práce a upozorňuje na jeji cíle. Kapitola druhá je věnována vzájemnému srovnání neklasičnosti, kvantové provázanosti (entanglementu) a dimenzionalitě mnohamódových párových fotonových svazků. Je zde odvozen vztah sjednocující míru entanglementu jako např. negativita a míru neklasičnosti - hloubku neklasičnosti, dokazující tímto, že jediným zdrojem neklasičnosti je v případě párových fotonových svazků jejich vzájemná kvantová provázanost. Mimo to je zde ukázáno, že tato sjednocující relace je platná i pro případ přidaného šumu. V rámci kapitoly tři je proveden rozbor chování párových fotonových svazků, stlačených jednomódových stavů a jejich kombinace na děliči svazku. Je zaveden nový integrál neklasičnosti zahrnující kvantovou provázanost mezi dvěma módy a neklasičnost jednomódových stavů. Dále je pak dokázáno, že je tento integrál invariantní vůci jakékoli unitární operaci zachovávající počet fotonů. V kapitole čtvrté jsou obsaženy výsledky výzkumu neklasičnosti stavů generovaných z párových fotonových svazků s pomoci postselekcí založenou na detekci daného počtu detekovaných fotonů v jednom rameni. Neklasičnost je odvozena z vyšších intenzitních momentů pomocí [zobecnění] teorie pro jednomódové stavy. Přítomnost neklasičnosti až do intenzitního momentu pátého řádu je ukázána experimentálně, což dokazuje, že neklasičnost takových polí spočívá v intenzitní oblasti. Pátá kapitola se zabývá čtyřmódovými stavy generovanými v procesu spontánní sestupné parametrické konverze a v procesu vzestupné frekvenční konverze. Je zde ukázáno, že hlavním zdrojem neklasičnosti těchto stavů je párové fotonové svazky a dále, jak se tato neklasičnost vyjádřena pomocí kvantové provázanosti může "přelévat" mezi párovými fotonovými svazky a vzestupně konvertovanými svazky pomocí změny intenzity čerpacího pole. Kapitola šestá je věnována potenciálním aplikacím párových fotonových svazků při rekonstrukci gausovských stavů. Rekonstrukční schéma je aplikováno na Gausovská pole generovaná z vakua pomocí využití neklasických vlastností párových fotonových svazků. Současně je ukázáno, že navržená metoda nevyžaduje použití homodynní detekce, ale pouze jednofotonových detektorů. Poslední sedmá kapitola pak obsahuje závěrečné shrnutí této dizertační práce.

Abstract:

In this Thesis we study quantum correlations of light generated in a spontaneous parametric frequency down-conversion process. We also investigate the ability of such light to produce various kinds of nonclassical states, and its application in solving the problem of the reconstruction of unknown Gaussian states of light. The Summary of the Thesis consists of seven chapters and is organized as follows. Chapter 1 gives an introduction to the topic of the Thesis and highlights its goals. Chapter 2 is devoted to the comparative study of nonclassicality, entanglement and dimensionality of multimode twin beams. In this chapter we derive the relation which unifies the entanglement measure such as negativity and nonclassicality measure - nonclassicality depth, and thus we prove that the only source of the nonclassicality for the twin beams is their entanglement. Moreover, we also show that that relation holds true also when noise is included. In Chapter 3 we investigate the behaviour of the twin beams, single-mode squeezed light and their combinations at the beam splitter. We introduce a new integral of nonclassicality, which incorporates the entanglement between two modes and nonclassicality of one-mode states, and we prove that that integral is invariant under any unitary photon-number-preserving operations. In Chapter 4 we study the nonclassicality of the state which is generated from the twin beam by postselection based on detecting a given number of photocounts in one arm. The nonclassicality is derived from the high order intensity moments based on the majorization theory for single-mode states. We experimentally show the presence of the nonclassicality up to the fifth order of the intensity moments, and thus experimentally confirm that the nonclassicality for such a state resides in the intensity domain. In Chapter 5 we investigate a four-mode state generated in spontaneous parametric frequency down-conversion and frequency up-conversion processes. We show, that the main source of the nonclassicality of the considered state is given by the twin beams and how that nonclassicality expressed by means of entanglement can "flow" from the twin beams into up-converted beams and vice versa by changing the strength of the pump fields. Chapter 6 is dedicated to the potential application of twin beams to the problem of the reconstruction of Gaussian states. The reconstruction scheme is applied to the Gaussian fields generated from vacuum by utilizing the nonclassical properties of the twin beam. We also demonstrate, that the proposed reconstruction method enables one to avoid a homodyne detection, and it relies exlusively on photon-counting detectors. Chapter 7 presents conclusions.

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 20. 7. 2017

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 21. 9. 2017

UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Fyzika / Aplikovaná fyzika