Title (eng)
Entanglement of complex structures of photons
Parallel title (deu)
Verschränkung Komplexer Strukturen von Photonen
Parallel title (eng)
Entanglement of Complex Structures of Photons
Author
Robert Fickler
Advisor
Anton Zeilinger
Assessor
Gerd Leuchs
Yaron Silberberg
Abstract (deu)
Die quantenphysikalische Verschränkung beschreibt das Phänomen, dass zwei oder mehr Systeme trotz räumlicher Trennung stärkere Korrelationen aufweisen können als klassisch erklärbar ist. Verschränkung gilt als eine der kennzeichnenden Eigenschaften der Quantenphysik und kann als Grundbaustein zukünftiger Quanteninformationstechnologien angesehen werden. Die Betrachtung der transversal räumlichen Mode ermöglicht in photonischen Experimenten die Untersuchung verschiedenster, interessanter Eigenschaften des Lichts. Um die Natur der Quantenverschränkung weiter zu beleuchten, lag daher der Fokus der hier präsentierten Arbeit auf der photonischen Verschränkung räumlicher Moden.
Eine der interessantesten Eigenschaften von Photonen in speziellen räumlichen Lichtmoden stellt ihr Bahndrehimpuls dar. überraschenderweise kann dieser beliebig groß werden, d.h. es gibt kein theoretisches Limit wie viele Drehimpulsquanten ein einzelnes Photon aufweisen kann. Der Bahndrehimpuls scheint somit eine Möglichkeit darzustellen, photonische Verschränkung mit makroskopische Größen zu untersuchen. Dies wiederum könnte zur Diskussionen etwaiger makroskopischer Quantenzustände und deren möglichen Obergrenzen beitragen. Zusätzlich geht die Erhöhung der Komplexität räumlicher Strukturen des öfteren mit weiteren interessanten und überraschenden Eigenschaften einher, z.B. die Fähigkeit der Selbstheilung oder freien Beschleunigung des Lichts. Die Untersuchung der Verschränkung räumlicher Strukturen verspricht demnach die Möglichkeit bisher ungekannte Effekte von verschränkten Photonenpaaren zu beobachten.
Die hier vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung neuer Methoden zur Erzeugung, Untersuchung und Verifizierung der Verschränkung komplexer, räumlicher Lichtmoden. Hierzu wurden drei Experimente durchgeführt, welche die Vielseitigkeit der entwickelten Ideen und Setups für zukünftige Quantenexperimente aufzeigen konnten.
Zunächst entwickelten wir eine neuartige, äußerst flexible Methode zur Erzeugung von Verschränkung komplexer räumlicher Strukturen. Mit dieser Technik ist es gelungen zwei Photonen mit 300 Bahndrehimpulsquanten miteinander verschränken. Die Resultate übertreffen bisherige Ergebnisse um zwei Größenordnungen und stimmen nahezu perfekt mit den quantenphysikalischen Vorhersagen überein. Sie stellen zudem (meines Wissens nach) die höchste jemals verschränkte Quantenzahl dar und öffnen die Möglichkeit diese Zahl noch weiter zu steigern. Zusätzlich konnten wir zeigen, dass die Verschränkung hoher Bahndrehimpulsquanten vorteilhaft bei der nicht-lokalen Messung von Drehwinkel sein kann.
In einem zweiten Experiment entwickelten wir ein flexibles und effizientes Verfahren zur hoch auflösenden Beobachtung räumlicher Strukturen von verschränkter Photonen. Hierzu bildeten wir mit Hilfe des Detektionssignals des ersten Photons und einer verstärkten CCD Kamera die transversale Struktur der dazugehörigen Partnerphotonen gezielt ab. Die erzeugten Koinzidenz-Aufnahmen wurden einerseits benutzt um Verschränkung nachzuweisen, andererseits um den Effekt der Verschränkung sogar in Echtzeit anschaulich werden zu lassen.
In einem dritten Experiment konnte ein Zustand mit transversal variierender Polarisation erzeugt und dadurch die Komplexität des verschränkten Gesamtzustandes weiter erhöht werden. Dank der sehr hohen Gesamteffizienz des experimentellen Aufbaus, konnten sogenannte Vektorphotonen (Photonen bei denen die Polarisation in Abhängigkeit von der transversalen Position variiert) verschränkt und in bisher nicht gekannter Genauigkeit untersucht werden. Dies wiederum ermöglichte es uns die unterschiedlichen Stärken dreier Verschränkungsmaße experimentell aufzuzeigen. Darüber hinaus konnten wir eine ungekannte, überraschende Eigenschaft von Vektorphotonen demonstrieren: Vektorphotonen können mit ihren Partnerphotonen beides sein, verschränkt und nicht verschränkt in Polarisation, je nachdem an welcher transversalen Position sie vermessen werden.
Abstract (eng)
Quantum entanglement describes the phenomenon where two or more systems show correlations that are stronger than classically explainable, even if they are separated in space. It can be considered as one of the characteristic features of quantum physics and is seen as an important building block for future quantum technologies. In photonic experiments, the transverse spatial degree of freedom offers great potential to explore various interesting features of light. Therefore, to further investigate the nature of quantum entanglement, photonic entanglement of transverse spatial structures has been in the focus of this thesis.
One interesting property due the spatial mode structure of photons is their orbital angular momentum. Surprisingly, there is no theoretical upper limit of how many quanta of orbital angular momentum a single photon can carry. Hence, it appears to be a candidate for testing photonic entanglement of macroscopic values and might contribute to the discussion of macroscopicity and a possible breakdown of quantum mechanics beyond a certain limit. In addition, an increase of the complexity of the spatial mode structures is often accompanied by unexpected properties, like self-healing or free-acceleration. Thus, an investigation of entanglement of complex structures promises the possibility to discover unseen features of entangled photon pairs.
In this present thesis, we developed methods to generate, investigate, and verify the entanglement of complex spatial structures. Three experiments were performed that highlight the versatility of the introduced schemes for future quantum experiments investigating the spatial degree of freedom of light.
First, we established a novel flexible way to generate spatial-mode entanglement. The scheme enabled the entanglement of two photons with 300 quanta of orbital angular momentum. The results exceed earlier experiments by two orders of magnitude and agree perfectly with quantum mechanical predictions. Our findings represent entanglement of the highest quantum number confirmed in an experiment so far (to my best knowledge) and open a promising route to generate entanglement with even higher quanta. In addition, we have demonstrated that entangled photons with high quanta of angular momentum are beneficial in remote angular sensing applications.
In a second experiment, we introduced a flexible scheme to efficiently observe the spatial mode of the entangled photons with high resolution. With the help of an intensified CCD camera, we imaged the transverse structure of an entangled photon depended on the measurement of its partner photon. The resulting coincidence images have been used to verify the presence of entanglement and to visualize its effect, even in real-time.
In a last experiment, we increased the complexity of the entangled state further by generating a state with transverse spatially varying polarization. Taking advantage of the very high overall-efficiency of the whole setup, it was possible to entangle and investigate so-called vector photons (photons where the polarization vector varies depending on the transverse spatial position) in unseen detail. Thereby, we were able to experimentally visualize the different strength of three popular entanglement criteria. Moreover, we demonstrated a novel, surprising property of entangled vector photons: vector photons can be both entangled and not entangled in polarization depending on their transverse spatial position.
Keywords (eng)
quantum physicsquantum opticsentanglement
Keywords (deu)
QuantenphysikQuantenoptikVerschränkung
Subject (deu)
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1310227
rdau:P60550 (deu)
VII, 122 S. : Ill., graph. Darst.
Number of pages
158
Association (deu)
Title (eng)
Entanglement of complex structures of photons
Parallel title (deu)
Verschränkung Komplexer Strukturen von Photonen
Parallel title (eng)
Entanglement of Complex Structures of Photons
Author
Robert Fickler
Abstract (deu)
Die quantenphysikalische Verschränkung beschreibt das Phänomen, dass zwei oder mehr Systeme trotz räumlicher Trennung stärkere Korrelationen aufweisen können als klassisch erklärbar ist. Verschränkung gilt als eine der kennzeichnenden Eigenschaften der Quantenphysik und kann als Grundbaustein zukünftiger Quanteninformationstechnologien angesehen werden. Die Betrachtung der transversal räumlichen Mode ermöglicht in photonischen Experimenten die Untersuchung verschiedenster, interessanter Eigenschaften des Lichts. Um die Natur der Quantenverschränkung weiter zu beleuchten, lag daher der Fokus der hier präsentierten Arbeit auf der photonischen Verschränkung räumlicher Moden.
Eine der interessantesten Eigenschaften von Photonen in speziellen räumlichen Lichtmoden stellt ihr Bahndrehimpuls dar. überraschenderweise kann dieser beliebig groß werden, d.h. es gibt kein theoretisches Limit wie viele Drehimpulsquanten ein einzelnes Photon aufweisen kann. Der Bahndrehimpuls scheint somit eine Möglichkeit darzustellen, photonische Verschränkung mit makroskopische Größen zu untersuchen. Dies wiederum könnte zur Diskussionen etwaiger makroskopischer Quantenzustände und deren möglichen Obergrenzen beitragen. Zusätzlich geht die Erhöhung der Komplexität räumlicher Strukturen des öfteren mit weiteren interessanten und überraschenden Eigenschaften einher, z.B. die Fähigkeit der Selbstheilung oder freien Beschleunigung des Lichts. Die Untersuchung der Verschränkung räumlicher Strukturen verspricht demnach die Möglichkeit bisher ungekannte Effekte von verschränkten Photonenpaaren zu beobachten.
Die hier vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung neuer Methoden zur Erzeugung, Untersuchung und Verifizierung der Verschränkung komplexer, räumlicher Lichtmoden. Hierzu wurden drei Experimente durchgeführt, welche die Vielseitigkeit der entwickelten Ideen und Setups für zukünftige Quantenexperimente aufzeigen konnten.
Zunächst entwickelten wir eine neuartige, äußerst flexible Methode zur Erzeugung von Verschränkung komplexer räumlicher Strukturen. Mit dieser Technik ist es gelungen zwei Photonen mit 300 Bahndrehimpulsquanten miteinander verschränken. Die Resultate übertreffen bisherige Ergebnisse um zwei Größenordnungen und stimmen nahezu perfekt mit den quantenphysikalischen Vorhersagen überein. Sie stellen zudem (meines Wissens nach) die höchste jemals verschränkte Quantenzahl dar und öffnen die Möglichkeit diese Zahl noch weiter zu steigern. Zusätzlich konnten wir zeigen, dass die Verschränkung hoher Bahndrehimpulsquanten vorteilhaft bei der nicht-lokalen Messung von Drehwinkel sein kann.
In einem zweiten Experiment entwickelten wir ein flexibles und effizientes Verfahren zur hoch auflösenden Beobachtung räumlicher Strukturen von verschränkter Photonen. Hierzu bildeten wir mit Hilfe des Detektionssignals des ersten Photons und einer verstärkten CCD Kamera die transversale Struktur der dazugehörigen Partnerphotonen gezielt ab. Die erzeugten Koinzidenz-Aufnahmen wurden einerseits benutzt um Verschränkung nachzuweisen, andererseits um den Effekt der Verschränkung sogar in Echtzeit anschaulich werden zu lassen.
In einem dritten Experiment konnte ein Zustand mit transversal variierender Polarisation erzeugt und dadurch die Komplexität des verschränkten Gesamtzustandes weiter erhöht werden. Dank der sehr hohen Gesamteffizienz des experimentellen Aufbaus, konnten sogenannte Vektorphotonen (Photonen bei denen die Polarisation in Abhängigkeit von der transversalen Position variiert) verschränkt und in bisher nicht gekannter Genauigkeit untersucht werden. Dies wiederum ermöglichte es uns die unterschiedlichen Stärken dreier Verschränkungsmaße experimentell aufzuzeigen. Darüber hinaus konnten wir eine ungekannte, überraschende Eigenschaft von Vektorphotonen demonstrieren: Vektorphotonen können mit ihren Partnerphotonen beides sein, verschränkt und nicht verschränkt in Polarisation, je nachdem an welcher transversalen Position sie vermessen werden.
Abstract (eng)
Quantum entanglement describes the phenomenon where two or more systems show correlations that are stronger than classically explainable, even if they are separated in space. It can be considered as one of the characteristic features of quantum physics and is seen as an important building block for future quantum technologies. In photonic experiments, the transverse spatial degree of freedom offers great potential to explore various interesting features of light. Therefore, to further investigate the nature of quantum entanglement, photonic entanglement of transverse spatial structures has been in the focus of this thesis.
One interesting property due the spatial mode structure of photons is their orbital angular momentum. Surprisingly, there is no theoretical upper limit of how many quanta of orbital angular momentum a single photon can carry. Hence, it appears to be a candidate for testing photonic entanglement of macroscopic values and might contribute to the discussion of macroscopicity and a possible breakdown of quantum mechanics beyond a certain limit. In addition, an increase of the complexity of the spatial mode structures is often accompanied by unexpected properties, like self-healing or free-acceleration. Thus, an investigation of entanglement of complex structures promises the possibility to discover unseen features of entangled photon pairs.
In this present thesis, we developed methods to generate, investigate, and verify the entanglement of complex spatial structures. Three experiments were performed that highlight the versatility of the introduced schemes for future quantum experiments investigating the spatial degree of freedom of light.
First, we established a novel flexible way to generate spatial-mode entanglement. The scheme enabled the entanglement of two photons with 300 quanta of orbital angular momentum. The results exceed earlier experiments by two orders of magnitude and agree perfectly with quantum mechanical predictions. Our findings represent entanglement of the highest quantum number confirmed in an experiment so far (to my best knowledge) and open a promising route to generate entanglement with even higher quanta. In addition, we have demonstrated that entangled photons with high quanta of angular momentum are beneficial in remote angular sensing applications.
In a second experiment, we introduced a flexible scheme to efficiently observe the spatial mode of the entangled photons with high resolution. With the help of an intensified CCD camera, we imaged the transverse structure of an entangled photon depended on the measurement of its partner photon. The resulting coincidence images have been used to verify the presence of entanglement and to visualize its effect, even in real-time.
In a last experiment, we increased the complexity of the entangled state further by generating a state with transverse spatially varying polarization. Taking advantage of the very high overall-efficiency of the whole setup, it was possible to entangle and investigate so-called vector photons (photons where the polarization vector varies depending on the transverse spatial position) in unseen detail. Thereby, we were able to experimentally visualize the different strength of three popular entanglement criteria. Moreover, we demonstrated a novel, surprising property of entangled vector photons: vector photons can be both entangled and not entangled in polarization depending on their transverse spatial position.
Keywords (eng)
quantum physicsquantum opticsentanglement
Keywords (deu)
QuantenphysikQuantenoptikVerschränkung
Subject (deu)
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1310228
Number of pages
158
Association (deu)
License
Citable links
Other links
Managed by
Details
Metadata
Export formats
Universitätsring 1, 1010 Wien | T
T +43-1-4277-0