title: Multiphoton quantum state engineering using time multiplexing
title: a single source but many entangled photons
titleType: Subtitle
Creators: name: Prasannan, Nidhin
Publisher: name: Universität Paderborn
Year: 2025

description: Die Weiterentwicklung der Quantentheorie bringt die Idee eines Quantenvorteils gegenüber klassischen Geräten hervor. Quantenoptische Technologie als Ressource zur Lösung klassisch unmöglicher Aufgaben im optischen Bereich benötigt somit dringend effiziente Quantenhardware und -techniken um einen tatsächlichen Nutzen zu demonstrieren. Insbesondere helles gequetschtes Licht sowie verschränkte Lichtzustände sind sehr gefragt in photonischen Quantentechnologien. In dieser Arbeit wird eine effiziente Quantenlichtquelle, die sowohl für die quantenoptische Zustandsmanipulation mit einzelnen als auch mit mehreren Photonen verwendet werden kann experimentell demonstriert. Die nichtlineare, wellenleiterbasierte Quelle ist räumlich und spektral so konstruiert, dass sie bei aufeinanderfolgender ultraschnell gepulster optischer Anregung helle, identische Quantenlichtzustände emittiert. Durch Ändern der Betriebsart werden vorangekündigte Einzelphotonen, gequetschtes Licht, polarisationsverschränkte Photonenpaare und mesoskopische Polarisationsverschränkung aus einer einzigen, neuartigen integrierten Wellenleiter-Freistrahlquelle erzeugt. Die neuartige Zeitmultiplex- und Feed-Forward-Methode funktioniert als ressourceneffizienter photonischer Verschränker, der einen einzelnen Quantenemitter und einen Quantenzwischenspeicher verwendet, um mehrere Photonen zu verschränken. Es wurden bis zu acht Photonen aus einer einzigen Bell-Zustandsquelle auf Basis parametrischer Fluoreszenz verschränkt; sodass sowohl theoretisch als auch experimentell den Vorteil des FeedForward-Schemas gegenüber dem bestehenden Stand der Technik zur experimentellen Erzeugung von Multiphotonenzuständen demonstriert werden konnte. Die intrinsische Multiphotonenemission aus einer parametrischen Fluoreszenz wird genutzt, um Multiphotoneninterferenz und nichtlineare Kriterien zur Bewertung von gequetschten Zuständen erstmals theoretisch und experimentell zu testen. Eine polarisationsverschränkte und polarisationsgequetschte Lichtquelle vom Sagnac-Typ wurde realisiert, indem eine große mittlere Photonenzahl pro Polarisationsmode aus der parametrischen Quelle berücksichtigt wurde. Anschließend wurde aus der Klickzählungs- und der Detektor-Multiplexing-Theorie eine einzigartige nicht-Gaußsche Messstrategie (Photonenzahl) in Form eines nichtlinearen Funktionals des Stokes-Operators konstruiert. Durch die Verwendung eines solchen nichtlinearen Operators wurden die nichtklassische Photonenzahlkorrelation und die nichtlinearen Polarisationsquetscheigenschaften der Lichtquelle mit hoher Präzision überprüft.
description: The advancement of quantum theory brings up the idea of quantum advantage over classical devices. Quantum optical technology as a resource to solve classically impossible tasks in the optical domain, desperately needs efficient quantum hardware and techniques to demonstrate its actual usefulness. Specifically bright squeezed light and entangled states of light are highly demanding in photonic quantum technology. In this thesis, we experimentally demonstrate an efficient quantum light source that can be used for both single and multiphoton quantum optical state manipulation. The non-linear waveguide-based source is spatially and spectrally engineered to emit bright, identical quantum light states upon subsequent ultrafast-pulsed optical excitations. By changing the mode of operation we generate- heralded single-photons, squeezed light, polarization-entangled photon pairs, and mesoscopic polarization entanglement from a single, novel waveguide-bulk integrated source. Our novel time multiplexing and feed-forward method works as a resource-efficient photonic entangler, that uses a single quantum light source and a quantum buffer to entangle multiple photons. We entangle up to eight photons from a single parametric downconversion-based Bell state emitter; both theoretically and experimentally demonstrating the advantage of the feed-forward scheme over the existing state-of-the-art experimental schemes in multi-photon state generation. Theintrinsic nature of multiphoton emission from a parametric down-conversion source is utilized to test multiphoton interference and non-linear squeezing criteria theoretically and experimentally for the first time. A Sagnac-type polarization entangled and polarization squeezed light source is realized by considering a large mean photon number per polarization mode from the parametric source. A unique non-Gaussian (photon number) measurement strategy in the form of a non-linear functional of the Stokes operator is then constructed from click counting and detector multiplexing theory. By employing such a non-linear operator, non-classical photon number correlation and non-linear polarization squeezing properties of the light source are verified with high precision.