In this paper is made a detailed study of the dynamic behavior of total quantum correlations near periodic plasmonic nanostructures. The complex system we are examining consists of two quantum subsystems, each of which interacts locally and independently with a corresponding plasmonic nanostructure. Dynamic study is done for both pure and mixed quantum states. Our quantum system in the first case consists of two subsystems of two-level systems (or else qubits). In the second case it consists of two identical three-level V-type quantum systems, where one two-level transition plays the role of the qubit while the third level acts as an umbrella level. As a plasmonic nanostructure we take a two-dimensional lattice of metal-coated dielectric nanoparticles. The presence of nanostructure leads to a highly suppressed spontaneous emission rates due to the anisotropic Purcell effect, which increases the quantum interference of spontaneous emission. This phenomenon is useful for prolonging the time evolution of quantum correlations in the system.
In this paper is made a detailed study of the dynamic behavior of total quantum correlations near periodic plasmonic nanostructures. The complex system we are examining consists of two quantum subsystems, each of which interacts locally and independently with a corresponding plasmonic nanostructure. Dynamic study is done for both pure and mixed quantum states. Our quantum system in the first case consists of two subsystems of two-level systems (or else qubits). In the second case it consists of two identical three-level V-type quantum systems, where one two-level transition plays the role of the qubit while the third level acts as an umbrella level. As a plasmonic nanostructure we take a two-dimensional lattice of metal-coated dielectric nanoparticles. The presence of nanostructure leads to a highly suppressed spontaneous emission rates due to the anisotropic Purcell effect, which increases the quantum interference of spontaneous emission. This phenomenon is useful for prolonging the time evolution of quantum correlations in the system.
We study the dynamics of two initially entangled qubits, where each one interacts locally and independently of the other, with a plasmonic nanostructure. By considering two different cases for the qubits, two identical two-level systems and two identical V-type quantum systems, where one two-level transition plays the role of the qubit while the third level acts as an ``umbrella level'', we study the corresponding entanglement dynamics for several pure and mixed initial states. As the plasmonic nanostructure we take a two-dimensional lattice of metal-coated dielectric nanoparticles. The presence of this nanostructure leads to highly suppressed spontaneous emission rates of the individual quantum systems, as well as to highly anisotropic spontaneous decay rates for orthogonal dipole matrix elements due to the anisotropic Purcell effect, leading to quantum interference in spontaneous emission. Both of the effects can be used for significantly prolonging the time evolution of entanglement for several system parameters.
Στην εργασία αυτή γίνεται μια αναλυτική μελέτη της δυναμικής συμπεριφοράς των ολικών κβαντικών συσχετίσεων κοντά σε περιοδικές πλασμονικές νανοδομές. Το σύνθετο σύστημα που εξετάζουμε αποτελείται απο δύο κβαντικά υποσυστήματα, που το καθένα αλληλεπιδρά τοπικά και ανεξάρτητα, με μια αντίστοιχη πλασμονική νανοδομή. Η δυναμική μελέτη γίνεται για καθαρές αλλά και για μικτές κβαντικές καταστάσεις. Το κβαντικό σύστημα στην πρώτη περίπτωση αποτελείται απο δύο υποσυστήματα δύο ενεργειακών επιπέδων (ή αλλιώς qubits). Στη δεύτερη περίπτωση αποτελείται απο υποσυστήματα τριών ενεργειακών επιπέδων που σχηματίζουν μορφή V μεταξύ τους και το καθένα αντιμετωπίζεται ως σύστημα qubit συν μια εξωτερική κβαντική κατάσταση. Ως πλασμονική νανοδομή θα θεωρήσουμε ένα δισδιάστατο πλέγμα το οποίο αποτελείται απο μεταλλικά επικαλυπτόμενα διηλεκτρικά νανοσωματίδια. Η παρουσία της νανοδομής οδηγεί σε υψηλή καταστολλή του ρυθμού αυθόρμητης εκπομπής εξαιτίας του ανισοτροπικού φαινομένου Purcell, γεγονός που αυξάνει τη κβαντική συμβολή της αυθόρμητης εκπομπής. Το φαινόμενο αυτό είναι χρήσιμο αφού επιτρέπει την μεγαλύτερη χρονική διάρκεια των κβαντικών συσχετίσεων στο σύστημα.
We analyze the two-time intensity correlation function of the fluorescent field emitted by a three-level V-type quantum emitter located in the vicinity of a two-dimensional periodic plasmonic nanostructure. Due to the interaction of the quantum emitter with an electromagnetic field, the ground state population is excited to the upper levels, presenting decay due to spontaneous emission. The distinctive characteristic of this system is that the decay rates for a quantum emitter with dipole orientation perpendicular and normal to the surface of the nanostructure array exhibit large differences which vary with the distance between the quantum emitter and the two-dimensional nanoparticle array. This leads to simulation of quantum interference effects in spontaneous emission. By studying the dependence of the two-time intensity correlation function on specific physical parameters of the hybrid structure, including the intensity of the applied field, the detuning from resonance, the distance between the quantum emitter and the plasmonic nanostructure, as well as the spacing between the upper levels, we demonstrate a strong modification of the two-time intensity correlation functions. We also identify the conditions under which the two-time intensity correlation function is maximized, an effect which is associated to the bunching to antibunching transition of the emitted photons.
Ένας σχετικά νέος τομέας ενεργής έρευνας που συνδυάζει την κβαντική οπτική, τη νανοφωτονική και την κβαντική τεχνολογία ασχολείται με τη μελέτη των οπτικών ιδιοτήτων πολύπλοκων φωτονικών δομών που περιέχουν κβαντικά συστήματα, όπως είναι οι κβαντικές τελείες ημιαγωγών και οι πλασμονικές νανοδομές. Η παρούσα διδακτορική διατριβή εμπίπτει σε αυτό το ερευνητικό πεδίο και παρουσιάζει μια θεωρητική και υπολογιστική μελέτη της οπτικά ελεγχόμενης δυναμικής ημιαγώγιμων κβαντικών τελειών ισχυρά συνδεδεμένων με πλασμονικές νανοδομές. Συγκεκριμένα, μελετάται η ελεγχόμενη μεταφορά πληθυσμών σε καταστάσεις εξιτονίων και δι-εξιτονίων σε ημιαγωγικές κβαντικές τελείες υπό την επίδραση μιας πλασμονικής νανοδομής, χρησιμοποιώντας τόσο συμβατικές όσο και νέες μεθόδους κβαντικού ελέγχου, όπως είναι η χρήση αναλυτικά παραγόμενων παλμών συγκεκριμένου σχήματος, εφαρμογή της μεθόδου ταχείας αδιαβατικής μεταφοράς (εφαρμογή παλμών chirped), εφαρμογή μεθόδων που βασίζονται σε συντομεύσεις της αδιαβατικότητας και εφαρμογή ειδικά σχεδιασμένων παλμών on-off. Προκειμένου να μελετήσουμε τη συνεκτική αλληλεπίδραση των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων με τις συζευγμένες κβαντικές-πλασμονικές νανοδομές συνδυάζουμε υπολογισμούς κβαντικής δυναμικής με ηλεκτρομαγνητικούς υπολογισμούς και επιλύουμε τις σχετικές εξισώσεις πινάκων πυκνότητας. Τα αποτελέσματα της διδακτορικής διατριβής μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο για την υλοποίηση γρήγορων οπτικών διακοπτών και ευαίσθητων αισθητήρων στη νανοκλίμακα, όσο και για θεμελιώδη προβλήματα της κβαντικής τεχνολογίας, όπως είναι η ελεγχόμενη δυναμική των κβαντικών bits και η παραγωγή περιπλεγμένων ή μεμονωμένων φωτονίων.
In the field of quantum information and quantum computing, entanglement plays an essential role. Entanglement preservation is an important issue as realistic quantum systems are affected by decoherence and entanglement losses due to the interaction with their environment. For example, in spite of an exponential decay of a single qubit, the entanglement between two qubits may completely disappear at a finite time; a phenomenon known as “entanglement sudden death” [1]. Recently, interest has been given in cases that qubits can be strongly coupled to plasmonic nanostructures, like, for example, an one-dimensional plasmonic waveguide [2] or a two-dimensional lattice of metal-coated dielectric nanoparticles [3]. In such systems the strong interaction with the surface plasmons leads to significant entanglement between the two qubits. Here, we consider the interaction of two initially entangled qubits interacting individually with a two-dimensional lattice of metal-coated dielectric nanoparticles. We consider two cases for the qubits, a pair of regular two-level systems and a pair of V-type systems where one transition is the qubit and the other level acts as an umbrella level [4]. We consider the entanglement dynamics for different initial conditions of the qubits. The specific plasmonic nanostructure leads to strongly modified spontaneous emission rates of individual quantum systems (strong suppression in certain cases) and, in addition, to strongly anisotropic Purcell effect for orthogonal dipoles, that in turn can be used for simulating quantum interference in spontaneous emission [5]. We use these effects for significantly prolonging entanglement dynamics near the plasmonic nanostructure in both cases, in comparison to the cases that the qubits are in free space. 1. T. Yu and J. H. Eberly, Phys. Rev. Lett. 93, 140404 (2004). 2. A. Gonzalez-Tudela, D. Martin-Cano, E. Moreno, L. Martin-Moreno, C. Tejedor, and F. J. Garcia-Vidal, Phys. Rev. Lett. 106, 020501 (2011). 3. N. Iliopoulos, A. F. Terzis, V. Yannopapas, and E. Paspalakis, Ann. Phys. 365, 38 (2016). 4. S. Das and G. S. Agarwal, Phys. Rev. A 81, 052341 (2010). 5. V. Yannopapas, E. Paspalakis, and N. V. Vitanov, Phys. Rev. Lett. 103, 063602 (2009).
Σε αυτήν την εργασία χρησιμοποιήσαμε μεθόδους Κβαντικού Οπτικού ελέγχου (Quantum Optical control), για να χειριστούμε τις κβαντικές καταστάσεις νανοδομών με τρόπο χρήσιμο για έρευνα Κβαντικής Πληροφορίας. Χρησιμοποιούμε Ημιαγώγιμες Κβαντικές Τελείες (SQD) ως τη βασική μας νανοδομή. Τις εμβαπτίζουμε σε περιβάλλον άλλων νανοδομών τέτοιο που να ενισχύει τον έλεγχο των καταστάσεων. Ο κύριος στόχος του ελέγχου στην παρούσα εργασία είναι η δημιουργία σύμπλεκτων καταστάσεων (entangled states). Συγκεκριμένα, δείχνουμε ότι μπορεί να επιτευχθεί σύμπλεξη καταστάσεων σημαντικού βαθμού σε δύο ρεαλιστικά μοντέλα που μελετήσαμε: μια κβαντική τελεία σε οπτική μικρο-κοιλότητα και δύο κβαντικές τελείες συζευγμένες με μεταλλικό νανοσωματίδιο. Δευτερεύοντος, δείχνουμε ότι με τα μοντέλα αυτά, μπορούν να υλοποιηθούν καθολικές κβαντικές πύλες (universal quantum gates).