title: Experiments with undetected light
Creators: name: Fuenzalida Cordova, Jorge Felix
Publisher: name: :none
Year: 2023

description: Die Quantenphysik hat sich in mehrere ausgereiften Bereiche verzweigt, von den Grundlagen der Quantenmechanik bis hin zu realen Anwendungen. Letztere, auch bekannt als Quantentechnologien, umfasst Bereiche wie Quantenkommunikation, Quantenbildgebung Quantensensorik und Quantencomputing, um nur einige zu nennen. Meine Dissertation ist insbesondere in zwei Teile gegliedert, von denen sich jeder auf Experimente mit nicht-detektierten Photonen bezieht, die auf dem Effekt der induzierten Kohärenz ohne induzierte Emission beruhen. Das erste Experiment ist im Bereich der Quantenbildgebung angesiedelt und erforscht die räumliche Auflösung der Technik Quantenbildgebung mit nicht-detektierten Photonen. Das zweite Experiment ist im Bereich der Quantenmessung angesiedelt und stellt eine neuartige Quantenzustandstomographietechnik für die Polarisation eines Qubits vor. Die Quantenbildgebung mit nicht-detektierten Photonen bietet eine Alternative zur Abbildung von Objekten, ohne das mit ihnen wechselwirkende Licht zu detektieren. Diese Technik verwendet zwei korrelierte Photonen mit unterschiedlichen spektralen Eigenschaften. Daher kann einerseits das Objekt mit Wellenlängen beleuchtet werden, bei denen die Detektion eingeschränkt ist, z. B. im mittleren oder fernen Infrarot. Andererseits wird die Objektinformation durch kluge Auswahl des verbleibenden Photons im sichtbaren Bereich gewonnen, wo Siliziumdetektoren zur Verfügung stehen. Im Mittelpunkt des Experiments steht die Suche nach den Parametern, welche die räumliche Auflösung dieser Technik bestimmen. Der erste Parameter, den wir untersucht haben, war die Impulskorrelation. Unsere Ergebnisse zeigen, dass eine schärfere Impulskorrelation zu einer höheren räumlichen Auflösung führt. Der zweite untersuchte Parameter war die Rolle der Wellenlängen. Da es sich um ein Zwei-Wellenlängen-Verfahren handelt, ist es nicht trivial, welche der Wellenlängen die Hauptrolle spielt. In unserem Experiment haben wir herausgefunden, dass im Rahmen der Annahme dünner Kristalle die Beleuchtungswellenlänge die erreichbare Auflösung bestimmt. Wir hoffen, dass unsere Ergebnisse dazu beitragen reale Anwendungen für diese Technik zu finden. Die Quantenzustandstomographie ist eine bekannte Technik, die die Dichtematrix eines Quantensystems ermittelt. Bei Qubits erfordert diese Technik das Vermessen eines identischen Ensembles von Teilchen. Wir zeigen, dass es möglich ist, durch Quanteninterferenz vollständige Informationen über ein Qubit zu erhalten, das nicht detektiert wird. Wir stellen sowohl theoretisch als auch experimentell eine Quantenzustandstomographie von Polarisationszuständen vor. Unsere Ergebnisse zeigen eine gute Zustandserfassung mit einer mittleren Zustandsgüte von über 0,9. Unsere Implementierung kann auf andere Freiheitsgrade verallgemeinert und auch in Quantenmetrologie Techniken integriert werden. Wir erwarten, dass unsere Ergebnisse eine neue Forschungsrichtung für die Quantenzustandsabschätzung mit nicht-detektierten Photonen eröffnen.
description: Quantum physics has been ramified into several mature fields, ranging from the foundation of quantum mechanics to real-world applications. The latter, also known as quantum technologies, covers fields such as quantum communications, quantum imaging, quantum sensing, and quantum computation, among others. In particular, my thesis is divided into two parts, each of which is related to experiments with undetected photons that are based on the effect of induced coherence without induced emission. The first experiment is within the field of quantum imaging and researches the spatial resolution of a technique called quantum imaging with undetected photons. The second experiment is within the field of quantum measurement and introduces a novel quantum state tomography technique for the polarization of a qubit. Quantum imaging with undetected photons delivers an alternative to image objects without detecting the light interacting with them. This technique uses two correlated photons with different spectral properties. Therefore, on the one hand, the object can be illuminated by employing wavelengths with detection constraints, e.g., in the mid- or far-infrared. On the other hand, the object information is retrieved by wisely selecting the remaining photon in the visible range, where silicon-based detectors are available. The experiment focuses on finding the parameters that govern the spatial resolution of this technique. The first parameter that we studied was the momentum correlation. Our results show that a sharper momentum correlation leads to a higher spatial resolution. The second parameter under study was the role of the wavelengths. Since this is a two-wavelength technique, it is not trivial which one of the wavelengths plays a major role. In our experiment, we find out that within the thin crystal approximation, the illuminating wavelength settles the achievable resolution. We hope that our results help to find real-world applications for this technique. Quantum state tomography is a well-known technique that retrieves the density matrix of a quantum system. In qubits, this technique requires the detection of an identical ensemble of particles. We show that through quantum interference, it is possible to obtain full information about a qubit that remains undetected. We both theoretically and experimentally introduce a quantum state tomography of polarization states. Our findings show a good state retrieval with a total mean fidelity over 0.9. Our implementation can be generalized to other degrees of freedom and also integrated into quantum metrology techniques. We expect that our findings open up a novel research line of quantum state estimation with undetected photons.