Nyere arbeid innen kvanteinformasjonsteknologi foreslår å kombinere enkeltatomer og enkeltfotoner for å danne gunnlag for kvantekommunikasjon og -beregninger. I slike oppsett vil evnen til å produsere og manipulere enkeltfotoner være en viktig faktor.\n\nDenne oppgaven er viet til temaet enkeltfotonkilder, basert på enkeltatomer i optiske kaviteter. Vi diskuterer de grunnleggende aspektene i kavitetskvanteelektrodynamikk, og presenterer konseptene bak en optisk kavitet og kvantiseringen av kavitetsfeltet. \nKarakteristiske egenskaper for kavitetsbaserte enkeltfotonkilder studeres ved hjelp av en Jaynes-Cummings modell, bestående av to nivåer. Systemet evalueres i forhold til emisjonseffektivitet for variasjoner i systemparametrene.\n\nTo-nivå systemet utvides til en tre-nivå Λ-modell, koblet til en justerbar laser. Vi viser en laserkontrollert prosedyre for adiabatisk produksjon av enkeltfotoner. Vi bruker en nummerisk Monte Carlo-bølgefunsksjonsmetode for å modellere Lindblads mesterligning for Λ-systemet, og viser også hvordan man kan bruke laseren til å produsere fotoner med en forhåndsdefinert tidsprofil.
I denne masteroppgaven beskriver jeg to ulike eksperimenter relatert til bruken av sammenfiltrede fotonpar for metrologi og kvantenøkkeldistribusjon. Innenfor metrologi undersøkes et oppsett for å synkronisere klokker basert på koinsidensmålingen av sammenfiltrede fotoner. Med dagens lyssterke kilder av sammenfiltrede fotoner kan usikkerheten i deteksjonstid fra støy i fotondetektoren og signalbehandlingselektronikken gjøres nærmest vilkårlig lav. Vi viser at oppsettet vårt er i stand til å måle avviket mellom to uavhengige klokker med en presisjon innenfor
SI1picosecond over måleperioder mindre enn
SI1second, hvor tidsoppløsningen til den elektroniske tidtakeren på
SI1picosecond er den fundamentale flaskehalsen. I et konseptbevis tester vi dette prinsippet i laboratoriet, med en intensjon om å måle tidsdilatasjonen fra gravitasjonsfeltet til jorden. Dette feilet på grunn av stabiliteten som krevdes av de rubidium-baserte atomklokkene. Likevel viser eksperimentet at vi nøyaktig kan måle frekvensavviket til de to klokkene, noe som demonstrerer at forsøket kan fungere over større høydeforskjeller eller med mer stabile klokker. For å verifisere at kilden vår produserer sammenfiltrede fotoner viser vi i tillegg et maksimalt brudd med Bells ulikhet på
S=num2.81(1). \n\n\nDet andre eksperimentet jeg beskriver er dedikert til oppsettet av en protokoll for kvantenøkkeldistribusjon over en atmosfærisk forbindelse, som strekker seg
SI10.2kilometer langs himmelen over Wien. Her undersøker vi en støy-robust protokoll, basert på sammenfiltrede fotonpar i flere frihetsgrader, som vi analyserer med et modifisert Franson interferometer. Oppsettet ble først implementert i laboratoriet, hvor vi kunne påvise interferenskontrast på
92. Videre diskuterer jeg designvalgene som har blitt gjort for å forberede oppsettet for bruk i en atmosfærisk forbindelse. En fremtredende ingeniørutfordring i forbindelse med dette er å sørge for stabil signaloverføring tross påvirkningen fra en turbulent atmosfære. Omfanget av den atmosfæriske påvirkningen på signalet kvantifiseres ved hjelp av en <> (DIMM), som er bygd inn i oppsettet til mottakermodulen. For stabiliteten til signaloverføringen over lengre tidsperioder ble et to-veis <>-system utviklet, som kontinuerlig korrigerer vinkelen til sender- og mottakermodulen for å optimere signalstyrken.
Hvordan genererer man præcist én foton ad gangen – og hvorfor er det så afgørende? Artiklen introducerer fysikken bag enkeltfotonkilder, som er centrale byggesten i kvantekommunikation og kvantekryptografi. Der gives en elegant gennemgang af kvanteoptiske systemer, herunder halvlederkvantepunkter og deres kobling til optiske resonatorer. Forfatteren forklarer, hvordan spontane emissioner kan kontrolleres gennem Purcell-effekten og nanofotoniske strukturer. Artiklen balancerer fint mellem teori og anvendelse og viser, hvordan fundamentale kvantefænomener omsættes til teknologiske platforme. Læseren efterlades med en klar forståelse af, hvorfor kontrol over enkeltfotoner er en nøgle til fremtidens kvanteteknologier.
Fremskridtene inden for kvantevidenskab har potentialet til fundamentelt at ændre moderne teknologi. Kvantecomputere kan udføre regninger umulige for en klassisk computer, mens kvantesensorer tillader målinger med hidtil uset præcision. Centralt for disse videnskabelige gennembrud ligger den præcise manipulation af lys og stof gennem deres fælles interaktion, hvilket fremhæver vigtigheden af fremgang i vores teoretiske forståelse af dette felt. Denne afhandling sigter efter at udvide den teoretiske forståelse af lys-stof interaktion mellem propagerende kvantepulser af lys og stationære kvantesystemer. Den generelle beskrivelse af sådanne spredningsprocesser er besværlig på grund af de mange mulige spredningsudfald og behovet for tilpasning af den teoretiske model til det specifikke system og lysets kvantetilstand. Vi introducerer en alsidig teoretisk model, der muliggør en beskrivelse af lys-stof interaktioner mellem forskellige stationære systemer og kvantetilstande af lys. Vi benytter denne model til at undersøge interaktionen mellem et enkelt to-niveau system og en enkelt lys bølgepakke i en Focktilstand. Vores analyse viser, at bestemte bølgepakker af lys undergår en fratrækning af en enkelt foton, når interaktionen restringeres til kun en enkelt propagationsretning af lyset. Den omvendte proces muliggør addition af en enkelt foton til en specifik bølgepakketilstand. Derefter går vi videre til at udvide en af de essentielle lys-stof vekselsvirkningsskemaer mellen klassiske lysfelter og et tre-niveau system i en
Λ-konfiguration, stimuleret Raman adiabatisk passage. Vores undersøgelse udvider dette skema til ikke-klassiske Focktilstande af lysfeltet, hvor vi beskriver de fulde relevante kvante frihedsgrader af både system og lys. Vores fund demonsterer, at dynamikken har stor lighed med den klassiske modpart for store Focktilstande. I det sidste præsenterede projekt skifter vi fokus fra spredningsproblemer til en analyse af et realistisk superledende kredsløb, som er designet til at generere ikke-klassiske propagerende lystilstande. Vi karakteriserer et udgående lysfelt fra kredsløbet og identificerer de faktorer, der har betydning for kvantetilstanden i kredsløbet overføres til en enkelt bølgepakketilstand. Som afrunding opsummerer vi vores opnåede resultater og foreslår fremtidige retninger for denne forskning.
Lysbaserede kvantecomputere udnytter fotoners svage kobling til omgivelserne, hvilket giver lang koherenstid og mulighed for operation ved stuetemperatur. Faurby og Lodahl beskriver, hvordan enkeltfotonkilder baseret på kvantepunkter, sammen med fotoniske bølgeledere, anvendes til deterministisk generering og manipulation af kvantetilstande. Artiklen diskuterer både lineær optisk kvanteberegning (LOQC) og nyere tilgange med kontinuerte variabler og hybridkvantesystemer, som kobler fotoner med fx supraledende qubits via kvantetransducere. Særligt fremhæves potentialet i modulære arkitekturer og kvanteinternettet. En fokuseret gennemgang af fotonik som hardwareplatform, med både teoretisk og eksperimentel relevans.
Inom fältet kvantinformation behandlar man information med hjälp av så kallade kvantmekaniska system, vilket tillför både möjligheter och svårigheter i reella tillämpningar. Ett fundamentalt begrepp är den så kallade kvantbiten, eller qubit som den brukar omnämnas i engelsk litteratur, vilken är den grundläggande komponenten i vilken kvantinformation hanteras, som en direkt analog till biten i en klassisk dator. En klassisk bit har möjligheten att anta värdet ett eller noll, medan en kvantbit dessutom har möjligheten att anta båda dessa värden på en och samma gång i en godtycklig proportion, vilket framstår som obegripligt i förhållande till den klassiska värld som vi upplever. Denna egenskap erbjuder möjligheten att behandla information på ett fundamentallt annorlunda sätt än vad vi är vana vid. Exempel på tillämpningar är kvantdatorer och kvantkryptografi. Kvantdatorer kan utnyttjas för att lösa problem som för klassiska datorer är helt olösbara inom rimlig tid (t.ex. faktorisering av stora tal). Med kvantkryptografins hjälp kan vi dessutom skapa kommunikationskanaler som erbjuder i det närmaste fullständig säkerhet mot intrång vad gäller avlyssning. Denna rapporten har behandlat så kallade optiska kvantminnen, vilka har till syfte att lagra kvantinformation i form av fotoner, dvs. ljuspartiklar. Utförandet består av att en inkommande foton som innehåller en viss kvantbit, absorberas i ett medium och överför kvantinformationen till exciterade elektroner i lagrade joner av typen sällsynta jordartsmetaller. Kvantbiten ska sedan kunna återskapas genom att en ny foton sänds ut från jonerna, med ett identiskt kvantillstånd jämfört med den ursprungliga fotonen. I denna avhandling behandlar vi en viss typ av minnen där de olika specifika jonerna endast absorberar fotoner nära en viss motsvarande frekvens eller energi. På det stora hela ter sig detta i att vi får en fördelning när vi tittar på absorptionen som en funktion av frekvensen, vilket vi benämner som absorptionsspektrumet. Genom olika tekniker är det möjligt att i detalj utforma denna fördelning, vilket är avgörande för hur effektivt det optiska kvantmimmet i slutändan blir. Genom att dessutom omgärda det absorberande mediumet med två delvis genomskinliga speglar, är det möjligt att ytterligare förbättra prestandan på minnet (en kavitet har introducerats). Denna typ är under utveckling i Lund, och har redan i experiment visat hög potential. Detta komplement tillför dock ytterligare problem i den mån att speglarna döljer absorptionsspektrumet för den utsomstående observatören, till följd att vi förlorar kontroll över minnet och därmed inte kan uppnå minnets fulla kapacitet. Denna rapport har därför utvecklat en metod eller algoritm med syftet att lösa detta problem. Lösningen ter sig som så att genom att jämföra det elektriska fältet av en inkommande och reflekterad ljuspuls med hjälp av en algoritm, är det möjligt att indirekt klargöra utseendet på det i kaviteten existerande absorptionsspektrumet. I rapporten utveklades också en simulator med syftet att simulera det elektriska fältet inuti kaviteten, så att den utvecklade metoden kunde testas på den resulterande utdatan. Resultaten kunde bedömas som lovande då avvikelsen mellan det riktiga och det beräknade absorptionsspetrumet kunde sägas vara låg i de fall som undersöktes.