Fotonické spínání pro kvantové zpracování informace

Mgr. Vojtěch ŠVARC

Doctoral thesis

Photonic switching for quantum information processing

Abstract:

Tato disertační práce se zabývá diskuzí a experimentální realizací fotonických spínačů pro kvantově-optické aplikace. V první části jsou podrobně diskutovány nejrůznější realizace fotonického spínání a jejich využití pro kvantové zpracování informace. Poté následuje popis metod a nástrojů a popis experimentálních prací v oblasti jednofotonového fotonického spínání. Zaprvé byl realizován fotonický spínač pomocí rychlého fázového spínání v Machově-Zehnderově interferometru. Tento spínač umožňuje sub-nanosekundové spínání mezi libovolnými dělicími poměry s extinkcí 26 dB. Dále byla vyvinuta technika aktivní fázové stabilizace umožňující stabilizovat interferometry po dobu 15 h s přesností 0,05°. Fotonické spínání je dále využito pro kvantově-optické aplikace. Zaprvé byl demonstrován aktivní časový multiplexing umožňující realizaci detektoru rozlišujícího počet fotonů. Zadruhé byl navržen a experimentálně demonstrován protokol pro konverzi mezi Fockovými stavy. Protokol využívá několikanásobnou subtrakci fotonu pomocí sítě děličů svazku, jejichž dělicí poměr je ovládán dopřednou vazbou.

Abstract:

Photonic switches represent valuable tools in quantum technologies and quantum optics in general. In this Thesis, we discuss different platforms for photonic switching and address a wide scale of applications across all fields of quantum optics. We implement photonic switching experimentally via a Mach-Zehnder interferometer with embedded integrated electro-optic phase modulators. We reach versatile sub-ns low-latency switching with 26 dB extinction, convenient for a feedforward operation. To provide long-term stability of the interferometer, we implement active phase locking. The phase lock exploits external reference light operating on a different wavelength than the quantum signal. This solution enables stability of 0.05 degrees maintained over 15 hours. Further, we propose and demonstrate applications of the photonic switch. Firstly, we perform active time multiplexing via a loop configuration of the photonic switch. We achieve complete control over 4 time bins, allowing for qudit preparation or photon-number-resolving detection. Secondly, we theoretically investigate Fock state conversion with linear optics. The proposed protocol probabilistically converts m-photon state to n-photon state by subtracting m-n photons at a sequence of feedforward-controlled beam splitters. We verify the feasibility of the protocol by experimental conversion from two-photon to one-photon state using an extended version of the photonic switch.

Keywords

Fotonické spínání, Machův-Zehnderův interferometr, interference, fázová modulace, aktivní fázová stabilizace, konverze Fockových stavů, subtrakce fotonu, dopředná vazba, lineární optika

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 21. 11. 2023

Thesis defence

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

Palacký University Olomouc

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Optics and Optoelectronics