Kvantově optické experimenty zaměřené na kvantové zpracování informace

Mgr. Martina MIKOVÁ

Disertační práce

Quantum optical experiments focused on quantum information processing

Abstract:

This Thesis is based on five original publications and concludes main experimental results. Firstly, we experimentally verify the possibility of increasing success probability of linear optical quantum gates utilizing an electro-optical feed-forward loop. We find out that the loop doubles the success probability of linear-optical programmable quantum phase gate. Moreover, any gate parameters like a fidelity, purity etc. are not influenced. The concept of a conditionally applied operation via the feed-forward loop is successfully implemented into other experiments. Further publications deal with quantum state transfer and discrimination tasks. We experimentally implement a device for perfect discrimination of two optical memory records which are represented by two beam splitters with different splitting ratios. For discrimination, this device utilizes in average less than fraction of a single photon energy. Further, we experimentally implement the device for optimal discrimination of two known projective single-qubit quantum measurements. The experimental results clearly confirm the advantage of the proposed more demanding entanglement-assisted discrimination scheme compared to a single-qubit probe scheme. A quantum state transfer is experimentally realized to examine particle properties. A new measure of particles' effective indistinguishability directly determines the fidelity of the transferred state. We compare it with commonly used overlap of quantum states of particles, which is defined only for factorable states. The experimental results confirm that even if some noninformational degrees of freedom of two particles are entangled, the particles can still serve as good carriers of qubits. Finally, we experimentally realize a faithful unidirectional qubit state transfer between two weakly interacting photonic qubits. The qubit state transfer is achieved by a combination of a suitable measurement on the unknown qubit and a quantum filtering on the target qubit. The filtering depends on the initial target-qubit state and on the outcome of the measurement applied on the unknown qubit.

Abstract:

Disertační práce je založena na pěti originálních publikacích a shrnuje hlavní experimentální výsledky. První realizovaný experiment testoval využití elektro-optické dopředné vazby pro zvýšení pravděpodobnosti úspěchu lineárně optických hradel. Experimentální výsledky ukázaly, že dopředná vazba zdvojnásobila pravděpodobnost úspěchu lineárně-optického programovatelného kvantového fázového hradla aniž by ovlivnila kvalitu dosažených výsledků. Koncept zavedení podmíněné operace pomocí dopředné vazby byl úspěšně aplikován i v dalších realizovaných experimentech. Následující experimenty se zabývaly přenosem kvantového stavu a rozlišovacími strategiemi. Bylo sestrojeno experimentální zařízení pro bezchybné rozlišení dvou optických paměťových záznamů reprezentovaných dvěma děliči svazku s navzájem různými odrazivostmi. Realizované zařízení využívalo nejmenší možné energie, v průběhu měření byl paměťový záznam vystaven v průměru pouze zlomku energie jednoho fotonu. Následným projektem byla experimentální realizace optimálního rozlišení dvou známých projektivních kvantových měření pomocí kvantově provázaného stavu. Výsledná experimentální data jasně demonstrovala výhodu rozlišovací strategie využívající dvě kvantově provázané částice v porovnání se strategií využívající pouze jeden kvantový bit. Dále byl realizován experiment pro přenos stavu kvantového bitu. Experiment byl využit k ověření nově navržené, přímo měřitelné míry efektivní nerozlišitelnosti částic, která určuje reálnou hranici kvality přenosu kvantového stavu. Zároveň jsme tuto míru porovnali s běžně užívaným překryvem stavů, i když překryv stavů lze použít pouze tehdy, jsou-li tyto částice ve faktorizovaném stavu. Výsledky experimentu potvrdily, že částice mohou sloužit pro přenos kvantové informace, i když jsou jejich další stupně volnosti provázané. Posledním realizovaným experimentem byl přenos neznámého kvantového stavu mezi dvěma vzájemně slabě interagujícími částicemi. Přenosu kvantového stavu bylo dosaženo vhodným měřením fotonu, který nesl neznámý kvantový stav, v kombinaci s aplikací filtrace na stav cílového fotonu. Optimální filtrace závisí na vzájemné interakci částic, na výsledku měření a na původním stavu částice, na niž je neznámý stav přenášen.

Keywords

Experimentální kvantová optika, lineární optika, vláknová optika, kvantové zpracování informace, elektro-optická dopředná vazba, integrovaný elektro-optický fázový modulátor, fotony, Machův-Zehnderův interferometr, sekvenční aktivní fázová stabilizace.

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 4. 9. 2017

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: prof. RNDr. Miloslav Dušek, Dr.

UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Fyzika / Optika a optoelektronika