Tailoring non-classical states of light for applications in quantum information processing
Creators: name: Tschernig, Konrad
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2022
Subjects: subject: Exzeptionelle Punkte
subject: Topologische Isolatoren
subject: Diskrete Quantenoptik
subject: Photonik
subject: Quantenstatistik
subject: Exceptional Points
subject: Topological Insulators
subject: Discrete Quantum Optics
subject: Photonics
subject: Quantum Statistics
subject: 530 Physik

description: In dieser Arbeit wird das Design und die Präparation von nicht-klassischen Zuständen von Licht in verschiedenen Szenarien untersucht. Zunächst wird die theoretische Beschreibung eines Interferometers entwickelt, welches für die Messung der Teilchenaustauschphase von Photonen entworfen wurde. Die Analyse der experimentellen Daten offenbart den bosonischen Charakter von Photonen, sowie die geometrische Phase, welche mit dem physischen Austausch zweier Quantenzustände assoziiert ist. Nach dieser Feststellung der Austauschsymmetrie von Zweiphotonenzuständen folgt die Ausarbeitung der Theorie über die Propagation von Mehrphotonenzuständen in Multiportsystemen. Dabei offenbaren sich hoch-dimensionale, synthetische, gekoppelte Strukturen die sich aus der Mehrphotonenanregung von diskreten Systemen ergeben. Basierend auf diesen Resultaten wird eine konkrete Anwendung der Theorie im Kontext von nicht-hermitischen Systemen formuliert. Dabei ergeben sich sogenannte “exceptional points” höherer Ordnung, welche Anwendungen im Bereich der Sensorik finden und ferner nur im Raum der Photonenanzahlzustände von diskreten Systemen realisiert werden können. Neben der Sensorik ist der Transport von Lichtzuständen ein wichtiger Aspekt in der Verarbeitung von Quanteninformationen. In dieser Hinsicht werden hier Photonische Topologische Isolatoren untersucht, welche eine rückstreuungsfreie Propagation entlang ihrer Ränder erlauben. Es wird gezeigt, dass partiell kohärentes Licht, Gaussisch und Nicht-Gaussisch verschränkte Zweiphotonenzustände einen solchen topologischen Schutz genießen können. Dies gilt unter der Vorraussetzung, dass die Anfangsanregung in einem wohldefinierten Bereich des topologischen Schutzes liegt, wodurch das “klassische” Bandlücken-kriterium erweitert und gestärkt wird.
description: In this work we study the design and preparation of non-classical states of light in several scenarios. We begin by developing the theoretical description of an interferometer, which is designed to measure the particle exchange phase of photons. The analysis of the experimental data reveals the bosonic nature of photons, as well as the geometric phase associated with the physical exchange of the quantum states of two photons. Having established the exchange symmetry of two-photon states, we proceed to develop the theory of multi-photon states propagating in multi-port systems. We unveil the high- dimensional synthetic coupled structures that arise via the multi-photon excitation of discrete systems. Using these results, we formulate an application of the theory in the context of non-hermitian systems. We find so-called high-order exceptional points, which find applications in sensing and can only be achieved in the photon-number space of discrete systems. Apart from sensing, an important ingredient for the processing of quantum information is the transport of light states. In this regard, we consider photonic topological insulators, which allow the back-scattering-free propagation along their edges. We show that partially coherent light, Gaussian- as well as non-Gaussian two-photon entangled states can enjoy such a topological protection, provided that the initial excitations fit inside a well defined topological window of protection, which strengthens the “classical” band-gap protection criterion.