Quantum Optical Methods for Communication and Processing of Information

Mgr. Miroslav GAVENDA

Doctoral thesis

Abstract:

Obsahem mé disertační práce je dosud neřešený problém oživení úplné ztráty entanglementu v kvantovém kanálu. Hlavní myšlenkou při obnově entanglementu je aktivní monitorování relevantní části okolí. Tuto myšlenku jsme použili na problém ztráty entanglementu v případě interakce dvou fotonů na děliči svazku z nichž jeden simuloval okolí a druhý systém (entanglovaný se třetím fotonem). Tento model vede na depolarizační kanál na jehož výstupu již výsledný stav nemusí být entanglovaný. V případě nerozlišitelných fotonů na děliči svazku však dokážeme tento stav pomocí měření a dynamického filtrování převést s jistou pravděpodobností až na maximálně entanglovaný stav dvou fotonů. V případě rozlišitelných fotonů je výsledný stav po měření vždy entanglovaný a dalším filtrováním můžeme jeho entanglement navýšit (nedosáhneme již však maximálního entanglementu). Obnovení entanglementu je možné dosáhnout pro všechny lineární interakce mezi dvěma fotony. Jinou otázkou řešenou v rámci mé dizertace je problém úplné ztráty entanglementu v po sobě jdoucích odlišných kvantových kanálech. Důvodem ke ztrátě entanglementu je špatná vzájemná adaptace kanálů vůči sobě. Obnovu entanglementu je možné zajistit vhodnými operacemi mezi kanály (adaptovat kanály vůči sobě). Z provedených numerických výpočtů je patrno, že pro jisté kanály je unitární transformace dostačující operací pro obnovu entanglementu. U jiných kanálů je potřeba k obnově entanglementu použít filtračních procedur. Zajímavým rysem je, že filtrační operace na jedné kopii umožňuje obnovu pro všechny konfigurace určitých typů kanálů. Třetím směrem řešeným v rámci mé disertace je problém ztráty koherence (dekoherence) kvantové částice v případě její záměny s jinou částicí představující šum. Předmětem zkoumání je elementární proces diskrétní dekoherence, který se odlišuje od fyzikálních modelů věnujících se v čase spojitým dekoherenčním procesům. Jako model pro konkrétní výpočty jsme zvolili chování interference fotonu v Machově-Zehnderově interferometru, jehož jedno rameno bylo zašuměno přítomností dalšího fotonu. Bylo zjištěno, že pouhá záměna signálového a šumového fotonu stačí k tomu, aby došlo k úbytku koherence (interference). Pokles dekoherence závisí na počtu šumových fotonů a rozlišitelnosti mezi signálovým a šumovým fotonem.

Abstract:

This phd thesis contributes to the problem of loss of quantum entanglement with two new protocols that are able in some particular cases recover lost entanglement and further contributes to the problem of decoherence where uncovered a role of distinguishablity in the process of decoherence. First protocol is called adaptation of quantum channels. A probabilistic quantum filtering is proposed to properly adapt sequential independent quantum channels in order to stop sudden death of entanglement. In the adaptation, the quantum filtering does not distill or purify more entanglement, it rather properly prepares entangled state to the subsequent quantum channel. For example, the quantum adaptation probabilistically eliminates the sudden death of entanglement of two-qubit entangled state with isotropic noise injected into separate amplitude damping channels. The result has a direct application in quantum key distribution through noisy channels. The second protocol is called entanglement localization. We discuss both theoretically and experimentally elementary two-photon polarization entanglement localization after break of entanglement caused by linear coupling of environmental photon with one of the system photons. The localization of entanglement is based on simple polarization measurement of the surrounding photon after the coupling. We demonstrate that non-zero entanglement can be localized back irrespectively to the distinguishability of coupled photons. Further, it can be increased by local single-copy polarization filters up to an amount violating Bell inequalities. The present technique allows to restore entanglement in that cases, when the entanglement distillation does not produce any entanglement out of the coupling. The third investigation is focused on a kind of decoherence caused by mixing distinguishable particles. We investigate how distinguishability of a ''noise'' particle degrades interference of the ''signal'' particle. The signal, represented by an equatorial state of a photonic qubit, is mixed with noise, represented by another photonic qubit, via linear coupling on the beam splitter. We show the degradation of the ''signal'' photon interference depending on the degree of indistinguishability between ''signal'' and ''noise'' photon. When the photons are principally completely distinguishable but technically indistinguishable the visibility drops to the value 1/\sqrt{2}. As the photons become more indistinguishable the maximal visibility increases and reaches the unit value for completely indistinguishable photons. We have examined this effect experimentally using setup with fiber optics two-photon Mach-Zehnder interferometer.

Keywords

kvantová optika, kvantová fyzika, kvantová informace, kvantová provázanost, dekoherence, interference, kvantový bit

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 14. 3. 2012

Accessible from:: 14. 3. 2012

Thesis defence

• Date of defence: 14. 3. 2012
• Supervisor: Doc. Mgr. Radim Filip, Ph.D.

PALACKÝ UNIVERSITY IN OLOMOUC

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Optics and Optoelectronics