Generation, Detection and Characterization of Photonic Quantum States

Mgr. Ivo STRAKA

Doctoral thesis

Abstract:

This dissertation experimentally explores quantum properties of photonic states. The presented results compare quantum non-Gaussian properties of single-pho\-ton states produced by optical frequency conversion and radiative recombination in a quantum dot. The primary concern is resilience against optical loss that is inevitable in all real applications. Quantum non-Gaussianity is also measured using multiphoton states composed of multiple heralded single photons generated by frequency conversion. Another quantum property is genuine n-photon quantum non-Gaussianity, which is investigated using multiphoton states with respect to optical loss and added noise. Furthermore, the thesis presents a method of programmable intensity modulation as a source of arbitrary classical photon statistics. The method includes calculation of the respective intensity distribution. The procedures employed in the thesis include constructing a source of correlated photons based on frequency down-conversion. The source was used to obtain the results pertaining to multiphoton quantum non-Gaussianity. Next, a counting model of single-photon avalanche diodes is developed, both analytically and in simulation. These results were used in measuring arbitrary photon statistics.

Abstract:

Cílem této práce je experimentální výzkum statistických vlastností kvantových stavů světla z hlediska generace i měření. Práce uvádí výsledky srovnávající kvantově negaussovské vlastnosti jednofotonových stavů produkovaných optickou frekvenční konverzí a zářivou rekombinací v kvantové tečce. Klíčovou vlastností je odolnost vůči ztrátám, jež jsou nevyhnutelnou součástí reálných optických aplikací. Kvantová negaussovskost je měřena i pro vícefotonové stavy složené z hlášených jednotlivých fotonů generovaných frekvenční konverzí. Jako další vlastnost je u těchto stavů zkoumána vícefotonová ryzí negaussovskost s ohledem na ztráty a přidaný šum. Disertace dále uvádí metodu programovatelné intenzitní modulace jako zdroje světla s nastavitelným klasickým rozdělením počtu fotonů. Součástí je i výpočet odpovídajícího intenzitního rozdělení. Postupy využité v práci zahrnují konstrukci zdroje korelovaných fotonů na bázi sestupné frekvenční konverze, jenž umožnil dosažení výsledků v oblasti vícefotonové kvantové negaussovskosti. Dále je prezentován model čítací odezvy jednofotonových lavinových diod, a to v numerické simulaci i analyticky. Tento výsledek byl uplatněn při měření obecné fotonové statistiky.

Keywords

kvantová optika, statistika fotonů, kvantová negaussovskost

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 11. 4. 2019

Thesis defence

• Supervisor: prof. Mgr. Jaromír Fiurášek, Ph.D., prof. Mgr. Jaromír Fiurášek, Ph.D.

Palacký University Olomouc

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Optics and Optoelectronics