Using Photon Entanglement as a Fundamental Resource in Experimental Physics

Abstract

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 $\\SI{1}{\\pico \\second}$ over måleperioder mindre enn $\\SI{1}{\\second}$, hvor tidsoppløsningen til den elektroniske tidtakeren på $\\SI{1}{\\pico \\second}$ 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 $S = \\num{2.81(1)}$. \n\n\nDet andre eksperimentet jeg beskriver er dedikert til oppsettet av en protokoll for kvantenøkkeldistribusjon over en atmosfærisk forbindelse, som strekker seg $\\SI{10.2}{\\kilo \\meter}$ 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.