Title (eng)
Novel quantum optical experiments featuring quantum coherence and quantum communication
Parallel title (deu)
Neuartige quantenoptische Experimente mit Quantenkohärenz und Quantenkommunikation
Author
Johannes Pseiner
Advisor
Marcus Huber
Assessor
Mehul Malik
Robert Fickler
Abstract (deu)
Die Untersuchung und Demonstration neuartiger und kontraintuitiver Phänomene in zwei quantenoptischen Experimenten mit dem Fokus auf Quantenkohärenz und Quantenkommunikation soll das Hauptziel dieser Arbeit sein. Darüberhinaus werden die Konsequenzen im Hinblick auf die Entwicklung von Quantentechnologien untersucht. In diesem Sinne stellt die Manipulation individueller photonischer Quantensysteme, worin die unintuitiven Eigenschaften von Photonen ausgenutzt werden, eine Fülle von Möglichkeiten dar, um nach Konsequenzen für die Grundlagen der Quantenmechanik und die Anwendungsgebiete der Quanteninformation zu suchen. Das erste Experiment demonstriert die Eigenschaften der Quantenkohärenz und Ununterscheidbarkeit des Photons, die sowohl als Grundpfeiler der Quantentheorie als auch als Voraussetzung für die überlegene Messgenauigkeit von einigen Quantentechnologien, verglichen zu ihren klassischen Pendants, angesehen werden können. Im Detail wird ein Interferenzeffekt erster und zweiter Ordnung von Photonenpaaren, die durch einen parametrischen Prozess in zwei weit voneinander entfernten nichtlinearen Kristallen (einige 10^1 m) erzeugt werden, untersucht. Zum anderen wird ein weiteres quantenoptisches Experiment aus dem Bereich der Quantenkommunikation durchgeführt. Da Emissionen höherer Ordnung mit zunehmender Pumpleistung im SPDC-Prozess die Erzeugung eines sicheren Quantenschlüssels begrenzen, soll ein zusätzlicher Freiheitsgrad der verschränkten Photonen, nämlich ihre Wellenlänge, ausgenutzt werden. Die verwendete Vorgehensweise ist angelehnt an eine Methode, die in der optischen Kommunikation allgemein als ”wavelength division multiplexing” (WDM) bekannt ist und eine tragende Rolle in zukünftigen Implementierungen der Quantenkommunikation spielen soll. Das übergeordnete Ziel dieser Dissertation ist es, die Natur der SPDC-Photonen und ihre Kohärenzeigenschaften mit neuartigen Versuchsaufbauten fundamental zu verstehen, aber auch die einzigartigen Eigenschaften der Verschränkung in Kombination mit der dem Photon intrinsischen Eigenschaft der Wellenlänge für zukünftige Anwendungen zu nutzen.
Abstract (eng)
The investigation and demonstration of novel and counter-intuitive phenomena, conducted in two quantum optical experiments featuring quantum coherence and quantum communication, shall be the main objectives of this thesis. Furthermore, the consequences in terms of developing quantum technology are investigated. In that sense, the manipulation of individual photonic quantum systems, which exploit the unintuitive properties of photons, represent a plethora of possibilities to search for consequences on quantum mechanics’ foundations and applicable fields in quantum information. The first experiment demonstrates the properties of quantum coherence and indistinguishability of the photon, which can be seen as both the cornerstone of quantum theory and a prerequisite for the superior measurement accuracy of some quantum technologies compared to their classical counterparts. In detail, a first- and second-order interference effect of down-converted photon pairs created by a parametric process in two nonlinear crystals being far apart from each other (several 10^1 m) are investigated. Subsequently, another quantum optical experiment in the field of quantum communication is conducted. As multi-pair emissions with increasing pump power in the Spontaneous Parametric Down-Conversion (SPDC) process limit the secure key rate generation of a given photon-based QKD system, an additional degree of freedom in entangled photons, namely their wavelength, is exploited. The introduced approach is based on a method commonly known in optical communication as ”wavelength division multiplexing” (WDM) and is expected to play a major role in future implementations of quantum communication.
The overall aim of this dissertation is to fundamentally understand the quantum nature of SPDC photons and their coherence properties with novel experimental setups, but also to use the unique features of entanglement combined with the photon’s intrinsic property of their wavelength for future applications.
Keywords (deu)
QuantenphysikQuantenoptikQuantenkohärenzQuantenverschränkungQuanteninformationQuantenkommunikationQuantenschlüsselaustauschPhotonenparametrische Fluoreszenzwavelength division multiplexing
Keywords (eng)
quantum physicsquantum opticsquantum coherencequantum entanglementquantum informationquantum communicationquantum key distributionphotonsspontaneous parametric down-conversionwavelength division multiplexing
Subject (deu)
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1409215
rdau:P60550 (deu)
iv, 132, xxix : Illustrationen
Number of pages
169
Association (deu)
Title (eng)
Novel quantum optical experiments featuring quantum coherence and quantum communication
Parallel title (deu)
Neuartige quantenoptische Experimente mit Quantenkohärenz und Quantenkommunikation
Author
Johannes Pseiner
Abstract (deu)
Die Untersuchung und Demonstration neuartiger und kontraintuitiver Phänomene in zwei quantenoptischen Experimenten mit dem Fokus auf Quantenkohärenz und Quantenkommunikation soll das Hauptziel dieser Arbeit sein. Darüberhinaus werden die Konsequenzen im Hinblick auf die Entwicklung von Quantentechnologien untersucht. In diesem Sinne stellt die Manipulation individueller photonischer Quantensysteme, worin die unintuitiven Eigenschaften von Photonen ausgenutzt werden, eine Fülle von Möglichkeiten dar, um nach Konsequenzen für die Grundlagen der Quantenmechanik und die Anwendungsgebiete der Quanteninformation zu suchen. Das erste Experiment demonstriert die Eigenschaften der Quantenkohärenz und Ununterscheidbarkeit des Photons, die sowohl als Grundpfeiler der Quantentheorie als auch als Voraussetzung für die überlegene Messgenauigkeit von einigen Quantentechnologien, verglichen zu ihren klassischen Pendants, angesehen werden können. Im Detail wird ein Interferenzeffekt erster und zweiter Ordnung von Photonenpaaren, die durch einen parametrischen Prozess in zwei weit voneinander entfernten nichtlinearen Kristallen (einige 10^1 m) erzeugt werden, untersucht. Zum anderen wird ein weiteres quantenoptisches Experiment aus dem Bereich der Quantenkommunikation durchgeführt. Da Emissionen höherer Ordnung mit zunehmender Pumpleistung im SPDC-Prozess die Erzeugung eines sicheren Quantenschlüssels begrenzen, soll ein zusätzlicher Freiheitsgrad der verschränkten Photonen, nämlich ihre Wellenlänge, ausgenutzt werden. Die verwendete Vorgehensweise ist angelehnt an eine Methode, die in der optischen Kommunikation allgemein als ”wavelength division multiplexing” (WDM) bekannt ist und eine tragende Rolle in zukünftigen Implementierungen der Quantenkommunikation spielen soll. Das übergeordnete Ziel dieser Dissertation ist es, die Natur der SPDC-Photonen und ihre Kohärenzeigenschaften mit neuartigen Versuchsaufbauten fundamental zu verstehen, aber auch die einzigartigen Eigenschaften der Verschränkung in Kombination mit der dem Photon intrinsischen Eigenschaft der Wellenlänge für zukünftige Anwendungen zu nutzen.
Abstract (eng)
The investigation and demonstration of novel and counter-intuitive phenomena, conducted in two quantum optical experiments featuring quantum coherence and quantum communication, shall be the main objectives of this thesis. Furthermore, the consequences in terms of developing quantum technology are investigated. In that sense, the manipulation of individual photonic quantum systems, which exploit the unintuitive properties of photons, represent a plethora of possibilities to search for consequences on quantum mechanics’ foundations and applicable fields in quantum information. The first experiment demonstrates the properties of quantum coherence and indistinguishability of the photon, which can be seen as both the cornerstone of quantum theory and a prerequisite for the superior measurement accuracy of some quantum technologies compared to their classical counterparts. In detail, a first- and second-order interference effect of down-converted photon pairs created by a parametric process in two nonlinear crystals being far apart from each other (several 10^1 m) are investigated. Subsequently, another quantum optical experiment in the field of quantum communication is conducted. As multi-pair emissions with increasing pump power in the Spontaneous Parametric Down-Conversion (SPDC) process limit the secure key rate generation of a given photon-based QKD system, an additional degree of freedom in entangled photons, namely their wavelength, is exploited. The introduced approach is based on a method commonly known in optical communication as ”wavelength division multiplexing” (WDM) and is expected to play a major role in future implementations of quantum communication.
The overall aim of this dissertation is to fundamentally understand the quantum nature of SPDC photons and their coherence properties with novel experimental setups, but also to use the unique features of entanglement combined with the photon’s intrinsic property of their wavelength for future applications.
Keywords (deu)
QuantenphysikQuantenoptikQuantenkohärenzQuantenverschränkungQuanteninformationQuantenkommunikationQuantenschlüsselaustauschPhotonenparametrische Fluoreszenzwavelength division multiplexing
Keywords (eng)
quantum physicsquantum opticsquantum coherencequantum entanglementquantum informationquantum communicationquantum key distributionphotonsspontaneous parametric down-conversionwavelength division multiplexing
Subject (deu)
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1429405
Number of pages
169
Association (deu)
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