Detektory počtu fotonů a jejich aplikace v kvantových technologiích

Mgr. Josef HLOUŠEK

Doctoral thesis

Photon number detectors and their applications in quantum technology

Abstract:

Hlavním objektem zájmu v kvantové optice jsou jednotlivá energetická kvanta elektromagnetického záření, fotony. Moderní kvantová fotonika stojí na experimentálních technikách generace, detekce a manipulace se stavy světla na úrovni jednotlivých fotonů. Jednou z nejvýznamnějších charakterizačních metod je zkoumání světla z hlediska jeho statistických vlastností. Měření fotonové statistiky libovolného stavu světla se opírá o schopnost rozlišovat mezi jednotlivými fotony a určovat jejich počet. Vědecká komunita věnovala mnoho úsilí, aby dosáhla rozlišení počtu fotonů pomocí rozličných detekčních přístupů. Detektory s rozlišením počtu fotonů posouvají hranice v oblasti pokročilé detekce světla a se svým velkým mezioborovým aplikačním potenciálem se staly technologickou špičkou. Cílem disertační práce je návrh a experimentální realizace ultrapřesné detekční techniky měření statistiky počtu fotonů neznámého optického signálu a jeho korelačních vlastností. Vyvinutá detekční technika je nezkreslená systematickými chybami, což je revoluční vlastnost, jíž nedosahují ani kryogenické detektory na bázi supravodivého přechodu. Detekční technika byla ověřena experimentálně pro desítky různých statistik světla včetně neklasických zdrojů a výpočetně pro desetitisíce numericky simulovaných optických signálů. Metoda je škálovatelná a nevyžaduje náročnou charakterizaci detektoru nebo korekce nedokonalostí detektoru, což řeší dlouhodobě existující problém detekce statistiky světla nezávislé na detekčním zařízení. Precizní měření statistiky počtu fotonů se v předložené práci využívá k charakterizaci typu procesu generace světla, k cílené modifikace statistických vlastností kvantových stavů světla a k charakterizaci jednofotonových detektorů. Podařilo se úspěšně kvantifikovat světelné zdroje chaotického, klasického, neklasického a negaussovského světla. Modifikace statistických vlastností světla bylo docíleno subtrakcí jednotlivých fotonů z termálních stavů světla. Práce uvádí metody podmíněné a deterministické přípravy klasických stavů světla mimo termodynamickou rovnováhu za účelem demonstrace kvantových termodynamických jevů. Dále je prezentována metoda certifikace dvou vysoce neklasických vlastností jednofotonových detektorů - kvantové negaussovosti a negativity Wignerovi funkce. V diskutovaném přístupu je role měření a stavu obrácená s ohledem na běžné testování negaussovského charakteru kvantových stavů.

Abstract:

In quantum optics, the main object of interest is the individual energy quanta of light, photons. Every modern quantum photonics experiment hinges on the ability to generate, detect, and manipulate the states of light at the single-photon level. One of the most essential questions is unveiling the nature of light from the perspective of its statistical properties. Photon statistics characterization relies on the capability to distinguish, detect, and count individual photons. As a consequence, the scientific community has devoted significant effort to accomplishing photon-number resolution by various detection approaches employing different physical phenomena. Nowadays, photon-number-resolving detectors represent the rapid advancement of the field of light detection with tremendous interdisciplinary application potential. The aim of this dissertation is to design and experimentally develop an ultra-precise detection technique for measuring the photon statistics of an unknown optical signal and its statistical correlations. Developed measurement workflow free of systematic errors consists of a reconfigurable photon-number-resolving detector, custom electronic circuitry, and a novel data processing algorithm. The result opens new paths for optical technologies by providing access to the photon-number information without the necessity of full detector tomography. It also aims to directly evaluate key quantities such as correlation functions and nonclassicality metrics rather than full tomography of the photon statistics. Furthermore, the Thesis presents the application of the precise measurement of photon statistics to characterize the physical processes that generate the optical signal, modify the statistical properties of quantum states of light, and characterize single-photon detectors. It was possible to successfully detect chaotic, classical, nonclassical, non-Gaussian, and negative-Wigner-function light. Modifying the statistical properties of light was achieved by subtracting individual photons from the thermal states of light. The thesis also presents methods of conditional and deterministic preparation of classical states of light out of thermal equilibrium, which can be employed as useful sources for future experiments in the field of quantum thermodynamics. Finally, a method for certifying two highly non-classical properties of quantum detectors - quantum non-Gaussianity and negativity of the Wigner function - is presented. In this approach, the role of measurement and state is reversed with respect to the standard certification of the quantum non-Gaussian character of quantum states.

Keywords

foton, statistické vlastnosti světla, detekční statistika, jednofotonový detektor, jednofotonový detektor s částečným rozlišením počtu fotonů, subtrakce fotonů, kvantová negaussovost

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 7. 12. 2022

Thesis defence

• Supervisor: prof. Mgr. Radim Filip, Ph.D.

Palacký University Olomouc

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Optics and Optoelectronics