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Experiments on quantum frequency conversion of photons

Ramelow, Sven (2011) Experiments on quantum frequency conversion of photons.
Dissertation, University of Vienna. Fakultät für Physik
BetreuerIn: Zeilinger, Anton

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DOI: 10.25365/thesis.18769
URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-30367.58637.220554-8

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Abstract in English

Coherently converting photons between different states offers intriguing new possibilities and applications in quantum optical experiments. In this thesis three experiments on this theme are presented. The first experiment demonstrates the quantum frequency conversion of polarization entangled photons. Coherent frequency conversion of single photons offers an elegant solution for the often difficult trade-off of choosing the optimal photon wavelength, e.g. regarding optimal transmission and storage of photons in quantum memory based quantum networks. In our experiments, we verify the successful entanglement conversion by violating a Clauser-Horne-Shimony-Holt (CHSH) Bell inequality and fully characterised our close to unity fidelity entanglement transfer using quantum state- and process tomography. Our implementation is robust and flexible, making it a practical building block for future quantum technologies. The second part of the thesis introduces a deterministic scheme for photonic quantum information processing. While single photons offer many advantages for quantum information technologies, key unresolved challenges are scalable on-demand single photon sources; deterministic two-photon interactions; and near 100%-efficient detection. All these can be solved with a single versatile process – a novel four-wave mixing process that we introduce here as a special case of the more general scheme of coherent photon conversion (CPC). It can provide valuable photonic quantum processing tools, from scal- ably creating single- and multi-photon states to implementing deterministic entangling gates and high-efficiency detection. Notably, this would enable scalable photonic quantum computing. Using photonic crystal fibres, we experimentally demonstrate a nonlinear process suited for coherent photon conversion. We observe correlated photon-pair production at the predicted wavelengths and experimentally characterise the enhancement of the interaction strength by varying the pump power. We further explain how current technology can provide a feasible path towards deterministic operation. Our scheme could also be implemented in opto-mechanical or superconducting systems which can exhibit extremely strong intrinsic nonlinearities. The third experiment demonstrates the creation and verification of discrete color entanglement. We experimentally create high-quality, discretely color- entangled states by transferring polarization entanglement of non-degenerate photons onto the color. We then unambiguously verify and quantify the amount of entanglement by reconstructing a restricted density matrix. Our technique can be generalized to transfer polarization entanglement for example onto orbital angular momentum.

Schlagwörter in Englisch

Photon / Entanglement / Quantum Computing / Frequency Conversion

Abstract in German

Koherent Photonen zwischen verschiedenen Zuständen zu konvertieren eröffnet faszinierende neue Möglichkeiten und Anwendungen in Quantenoptik-Experimenten. In dieser Arbeit werden drei Experimente zu dieser Thematik vorgestellt. Das erste Experiment demonstriert Quanten-Frequenzkonversion von polarisationsverschränkten Photonen. Kohärente Frequenzkonversion einzelner Photonen bietet eine elegante Lösung für den oft schwierigen Kompromiss die optimale Wellenlänge zu finden: beispielsweise bezüglich der optimalen Übertragung und Speicherung in Quantennetzwerken. In unseren Experimenten verifizieren wir die erfolgreiche Konversion der Verschränkung durch die Verletzung einer Clause-Horne-Shimony-Holt (CHSH) Bell-Ungleichung. Ausserdem wird der fast optimale Verschränkungstransfer genau durch Quantenzustands - und Quantenprozess - Tomografie charakterisiert. Unsere Implementation ist robust und flexibel und dadurch ein geeigneter Baustein für zukünftige Quantentechnologien. Der zweite Teil der Arbeit widmet sich der Vorstellung eines neuen deterministischen Schemas zur photonischen Quanteninformationsverarbeitung. Während einzelnen Photonen viele Vorteile für Quanteninformationstechnologien aufweisen, sind die bisher ungelösten Herausforderungen deterministische Einzelphotonen-Quellen, deterministische Photon-Photon Wechselwirkungen sowie nahe 100% effiziente Detektion. All diese können mit einem einzigen, vielseitigen Prozess gelöst werden -- einem Vier-Wellen-Mischungs-Prozess der hier als Spezialfall des generellerem Schemas der "Kohärenten Photonen-Konversion" vorgeschlagen wird. Dies kann viele, wertvolle Werkzeuge für die Quantenverarbeitung bereitstellen, angefangen von skalierbaren Multi-Photonen-Quellen, über die Implementation von deterministischen Verschränkungsgattern bis hin zur Ermöglichung hocheffizienter Einzelphotonen-Detektion. Beachtlicherweise würde sogar skalierbares optisches Quantencomputing ermöglicht. In unserem Experiment demonstrieren wir mit Hilfe von Photonischen-Kristall-Fasern einen Vier-Farben nichtlinearen Prozess, der für die "Kohärente Photonen-Konversion" geeignet wäre. Dafür weisen wir die Erzeugung korrelierter Photonenpaare bei den vorhergesagten Wellenlängen nach und bestimmen quantitativ die lineare Verstärkung der Wechselwirkung abhängig von der benutzen Pumpleistung. Wir erörtern weiterhin, wie man mit Hilfe derzeitiger Technologie in das angestrebte Regime der deterministischen Wechselwirkung gelangen könnte. Ausserdem könnte das vorgeschlagene Prinzip auch in anderen physikalischen Systemen, wie opto-mechanischen, elektromechanischen oder supraleitenden Systemen eingesetzt werden, welche auch zum Teil sehr hohe intrinsiche Nichtlinearitäten aufweisen. Im dritten Experiment wird die Erzeugung und der Nachweis von diskreten Farb-verschränkten Zuständen beschrieben. Wir erzeugen diese Zustände durch die Übertragung von Polarisationsverschränkung von nicht-degenerierten Photonenpaaren auf den Farb-Freiheitsgrad. Wir weisen dann streng die Verschränkung nach und quantifizieren den Grad der Verschränkung mithilfe der Rekonstruktion einer reduzierten Dichtematrix. Unsere Technik kann generalisiert werden um den Transfer von Polarisationsverschränkung auf andere photonische Freiheitsgrade zu ermöglichen wie zum Beispiel den Bahndrehimpuls der räumlichen Moden einzelner Photonen.

Schlagwörter in Deutsch

Photon / Verschränkung / Quantencomputer / Frequenzkonversion

Item Type: Hochschulschrift (Dissertation)
Author: Ramelow, Sven
Title: Experiments on quantum frequency conversion of photons
Umfangsangabe: 132 S. : graph. Darst.
Institution: University of Vienna
Faculty: Fakultät für Physik
Publication year: 2011
Language: eng ... Englisch
Supervisor: Zeilinger, Anton
Assessor: Aspelmeyer, Markus
2. Assessor: Walmsley, Ian
Classification: 33 Physik > 33.38 Quantenoptik, nichtlineare Optik
33 Physik > 33.23 Quantenphysik
AC Number: AC09024672
Item ID: 18769
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

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