title: Quantum interference and tomography of Linear Optical Networks
Creators: name: Schmidt, Christian
Publisher: name: :none
Year: 2014

description: Passive linear optische Netzwerke und Ihre Anwendung in Quantenoptik-Experimenten hat jüngst vielfältige Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Neue Fabrikationsmethoden ermöglichen die Herstellung großer integrierter interferometrischer Netzwerken / die aus einzelnen Strahlenteiler- und Phasenschieber-Elementen zusammengesetzt sind. Eine große Herausforderung ist allerdings die quantitativ zuverlässige Charakterisierung oder tomographische Rekonstruierung dieser Netzwerke. Erstaunlicher Weise ist die Detektion von Zwei-Photonen Interferenzereignissen ausreichend für diese Zwecke. In dieser Arbeit wird die Beschreibung von Zwei-Photonen Interferenzereignissen in linear optischen Netzwerken erweitert und verbessert / was eine nötige Voraussetzung für die zuverlässige Charakterisierung ist. Das hierfür herangezogene Modell basiert auf einer detaillierten Beschreibung des Eingangszustands / die Frequenzkorrelationen / sowie die andere Moden-Diskrepanzen der Ein-Photonen Quelle mit einbezieht. Hiernach werden gegenwärtige Ansätze zur Tomographie von linearen optischen Netzwerken untersucht und bewertet. Es wird unterscheiden zwischen jenen Methoden / die ein über-bestimmte Menge an Primärdaten nutzen (aktiv) und denen / die eine ausreichende Menge verwenden (passiv). Damit kann behauptet werden / dass aktive Ansätze wie eine bessere Fehlerrobustheit besitzen als die gegenwärtig bekannten passiven Herangehensweisen. Weiter werden numerische und analytische Evidenz für diese Behauptung geliefert. Die Fehlerrobustheit ist der entscheidende Grund dafür / dass aktive Ansätze eine bessere Approximation des zugrundeliegenden Netzwerkes liefern. Bis jetzt war ein großes Nachteil des aktiven Ansatzes allerdings / dass es sich nicht auf Black-Box-artige Netzwerke / also Netzwerke unbekannter Struktur / anwenden ließ. Wir schlagen eine neuartige Herangehensweise vor / die dieses Problem löst und die passiven Ansätze mit dem aktiven Ansatz so kombiniert / dass die jeweiligen Nachteile beseitigt werden und die Vorteile beider Methoden in einer kombinierten Version zum tragen kommen. Abschließend wird numerisch gezeigt / dass dieser Ansatz alle gegenwärtig genutzten an Präzision übertrifft.
description: Quantum interference in passive linear optical networks has recently attracted great interest in the field of optical quantum computation. Recent technological progress allowed the fabrication of large integrated interferometric networks that are composed out of many beam splitters and phase shifting elements. A major issue is the reliable tomography of such networks. Surprisingly / the quantum interference of two photons in the network is sufficient to provide a high quality set of data for tomography purposes. In this thesis / the model for two-photon interference in linear optical networks is improved. This detailed description is based on a precise modeling of the input state / which includes modal mismatch originating from the parametric down conversion process as well as unavoidable frequency correlations. Then current approaches to tomography of linear optical networks are investigated and benchmarked. It is important to distinguish the approaches into those using a sufficient set of primary data (passive) and those utilizing an over-sufficient set of data (active). It is conjectured that active approaches exhibit better error robustness than the currently known passive schemes / providing analytical and numerical evidence for this conjecture. This is the main reason that active approaches generate better approximations of the actual network in comparison to passive ones. A major drawback of active approaches has been their inability to reconstruct optical black boxes / i.e. networks of unknown structure. Here a novel hybrid-approach is proposed which combines the advantages of active and passive methods / while eliminating their shortcomings. Finally / the potential of this hybrid-approach is validated numerically / showing that it outperforms all currently utilized approaches.