Charakterisierung und Anwendung von Quantenzuständen der kontinuierlichen Variablen des Lichts

Characterization and application of continuous variable quantum states of light

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus-7463
  • Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Charakterisierung quantenmechanischer Zustände des Lichts und die Anwendung in Protokollen der Quanteninformationsverarbeitung. Hierbei wurden Quantenzustände der kontinuierlichen Variablen des Lichts untersucht und verwendet. Die Photostromstatistik der gequetschten und verschränkten Zustände aus einem nichtlinearen Faser-Sagnac Interferometer wurde analysiert. Im Rahmen der Messgenauigkeit können sie als Gaußsche Zustände betrachtet werden. Außerdem wurde an einem abgeglichenen Zwei-Wege-Detektionsaufbau anstatt der üblichen Varianz die Kovarianz als relatives Maß des Quetschgrades eines Zustands experimentell untersucht. Als Anwendung in einemDas Ziel der vorliegenden Arbeit war die Charakterisierung quantenmechanischer Zustände des Lichts und die Anwendung in Protokollen der Quanteninformationsverarbeitung. Hierbei wurden Quantenzustände der kontinuierlichen Variablen des Lichts untersucht und verwendet. Die Photostromstatistik der gequetschten und verschränkten Zustände aus einem nichtlinearen Faser-Sagnac Interferometer wurde analysiert. Im Rahmen der Messgenauigkeit können sie als Gaußsche Zustände betrachtet werden. Außerdem wurde an einem abgeglichenen Zwei-Wege-Detektionsaufbau anstatt der üblichen Varianz die Kovarianz als relatives Maß des Quetschgrades eines Zustands experimentell untersucht. Als Anwendung in einem Quanteninformationsprotokoll wurde die experimentelle Destillation von gequetschten Zuständen realisiert. Die gequetschten Zustände waren durch nicht-Gaußsches, klassisches Zusatzrauschen beeinträchtigt. In dem Experiment gelang es, durch zeitliche Selektion probabilistisch nahezu den gesamten Quetschgrad des Ausgangszustands wiederherzustellen. Das Cavalcanti-Reid-Kriterium zum Nachweis von intrinsischen, makroskopischen Superpositionszuständen in Quantenzuständen kontinuierlicher Variablen wurde zum ersten Mal experimentell angewandt. Dabei wurden in Vakuumzuständen und hellen kohärenten Zuständen verallgemeinerte Superpositionszustände mit einem Abstand im Phasenraum von 0.51+/-0.02 Schrotrauscheinheiten nachgewiesen. Dies unterstreicht den quantenmechanischen Charakter der kohärenten Zustände. Für gequetschte Zustände aus einem optischen parametrischen Oszillator konnten verallgemeinerte Superpositionszustände mit einem Abstand von bis zu 0.83+/-0.02 Schrotrauscheinheiten nachgewiesen werden und gleichzeitig wurde die Empfindlichkeit des Kriteriums hinsichtlich Quetschgrad und Reinheit der Zustände untersucht. Für die Quantenzustandsrekonstruktion der Polarisationsvariablen des Lichts wurde eine Theorie entwickelt, die der su(2)-Algebra der Stokes-Operatoren Rechnung trägt und gleichzeitig die Möglichkeit von nicht festgelegten Photonenzahlen berücksichtigt. Dabei stellte sich heraus, dass für hohe Photonenzahlen die Zustandsrekonstruktion der SU(2)-Q-Funktion im Poincareraum als dreidimensionale inverse Radontransformation durchgeführt werden kann. Mit dieser Methode wurde die Q-Funktion eines polarisationsgequetschten Zustands aus Messungen rekonstruiert. In der Dunkelebene des polarisationsgequetschten Zustands wurde außerdem zum ersten Mal die Wignerfunktion eines hellen Kerr-gequetschten Zustands rekonstruiert.show moreshow less
  • The aim of this thesis was the characterization of continuous variable quantum states of light and their application in quantum information processing protocols. The photo current statistics of squeezed and entangled states from a nonlinear fiber Sagnac interferometer were analyzed and can be regarded as Gaussian states within the measurement accuracy. In addition, instead of the usual variance, the covariance was experimentally investigated as a relative measure of squeezing, using a balanced self-homodyne system. As an application in a quantum information protocol the experimental distillation of squeezed states has been shown. The undistilled squeezed states suffered from non-GaussianThe aim of this thesis was the characterization of continuous variable quantum states of light and their application in quantum information processing protocols. The photo current statistics of squeezed and entangled states from a nonlinear fiber Sagnac interferometer were analyzed and can be regarded as Gaussian states within the measurement accuracy. In addition, instead of the usual variance, the covariance was experimentally investigated as a relative measure of squeezing, using a balanced self-homodyne system. As an application in a quantum information protocol the experimental distillation of squeezed states has been shown. The undistilled squeezed states suffered from non-Gaussian classical excess noise. In the experiment nearly the complete squeezing could be recovered by a probabilistic selection method. The Cavalcanti-Reid criterion to prove intrinsic macroscopic superposition states in continuous variables was experimentally applied for the first time. With this criterion generalized superposition states were proven in vacuum and intense coherent states with a distance in phase space of 0.51+/-0.02 shot noise units. For squeezed states from an optical parametric oscillator generalized superposition states were proven with a distance of up to 0.83+/-0.02 shot noise units. At the same time the dependence of the criterion on squeezing and purity of the states was investigated. To reconstruct the quantum state of the polarization variables of light, a theory was developed, that is based on the su(2) algebra and at the same time takes into account the possibility, that the photon number is not fixed. It was found that for high photon numbers the quantum state reconstruction of the SU(2) Q function in Poincare space is an inverse 3D Radon transformation. With this method the Q function of a polarization squeezed state was reconstructed from measured data. In the dark plane of a polarization squeezed state the Wigner function of an intense Kerr squeezed state was reconstructed for the first time.show moreshow less

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Metadaten
Author:Christoph Marquardt
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-7463
Advisor:Gerd Leuchs
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of publication:2007
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Acceptance date of the thesis:2007/10/04
Release Date:2008/02/25
Tag:Photonenstatistik; Quantenzustandsdestillation; Quantenzustandsrekonstruktion
photon statistics; quantum state distillation; quantum state reconstruction
SWD-Keyword:Quantenoptik; Polarisiertes Licht; Quanteninformatik; Squeezed state
Institutes:Naturwissenschaftliche Fakultät / Naturwissenschaftliche Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
PACS-Classification:00.00.00 GENERAL / 03.00.00 Quantum mechanics, field theories, and special relativity (see also section 11 General theory of fields and particles) / 03.67.-a Quantum information (see also 42.50.Dv Quantum state engineering and measurements; 42.50.Ex Optical implementations of quantum information processing and transfer in quantum optics) / 03.67.Hk Quantum communication
00.00.00 GENERAL / 03.00.00 Quantum mechanics, field theories, and special relativity (see also section 11 General theory of fields and particles) / 03.67.-a Quantum information (see also 42.50.Dv Quantum state engineering and measurements; 42.50.Ex Optical implementations of quantum information processing and transfer in quantum optics) / 03.67.Mn Entanglement measures, witnesses, and other characterizations (see also 03.65.Ud Entanglement and quantum nonlocality; 42.50.Dv Quantum state engineering and measurements in quantum optics)
40.00.00 ELECTROMAGNETISM, OPTICS, ACOUSTICS, HEAT TRANSFER, CLASSICAL MECHANICS, AND FLUID DYNAMICS / 42.00.00 Optics (for optical properties of gases, see 51.70.+f; for optical properties of bulk materials and thin films, see 78.20.-e; for x-ray optics, see 41.50.+h) / 42.25.-p Wave optics / 42.25.Ja Polarization
40.00.00 ELECTROMAGNETISM, OPTICS, ACOUSTICS, HEAT TRANSFER, CLASSICAL MECHANICS, AND FLUID DYNAMICS / 42.00.00 Optics (for optical properties of gases, see 51.70.+f; for optical properties of bulk materials and thin films, see 78.20.-e; for x-ray optics, see 41.50.+h) / 42.50.-p Quantum optics (for lasers, see 42.55.-f and 42.60.-v; see also 42.65.-k Nonlinear optics; 03.65.-w Quantum mechanics) / 42.50.Ar Photon statistics and coherence theory
40.00.00 ELECTROMAGNETISM, OPTICS, ACOUSTICS, HEAT TRANSFER, CLASSICAL MECHANICS, AND FLUID DYNAMICS / 42.00.00 Optics (for optical properties of gases, see 51.70.+f; for optical properties of bulk materials and thin films, see 78.20.-e; for x-ray optics, see 41.50.+h) / 42.50.-p Quantum optics (for lasers, see 42.55.-f and 42.60.-v; see also 42.65.-k Nonlinear optics; 03.65.-w Quantum mechanics) / 42.50.Dv Quantum state engineering and measurements (see also 03.65.Ud Entanglement and quantum nonlocality, e.g., EPR paradox, Bells inequalities, GHZ states, etc.)
open_access (DINI-Set):open_access