(English) Entangled photon pairs can enhance optical imaging capabilities. Phase imaging allows detecting fine detail of transparent samples without potentially invasive fluorescent labelling, and here entanglement enables a higher signal-to-noise ratio (SNR) than possible with only classical light. Spatial correlations from spontaneous parametric down conversion (SPDC) photon pair sources can also be used to increase spatial resolution and robustness to noise and aberrations in imperfect optical systems. Quantum imaging therefore represents a powerful approach to push imaging science beyond its current limits. Until recently, the principal barrier to implementing useful quantum imaging schemes based on entangled photons has been technological, as scalable image sensors capable of multi-photon imaging were unavailable. However, this situation has changed with the development of single photon avalanche diode (SPAD) array cameras, as well as efficient high brightness entangled photon pair sources based on SPDC. These advances have led to the required components now approaching relative technological maturity, opening the window towards engineering useful and scalable systems that exploit entanglement in order to improve optical imaging. In this thesis, we show the development of a quantum imaging platform able to perform practical and fast spatially resolved multi-photon coincidence imaging with high SNR. Special focus is placed on wide-field entanglement-enhanced phase imaging capability, in order to extend experimental sensitivity beyond limits imposed by classical light. The main components of our platform are: sources of hyper-entangled photon pairs, a large field-of-view optical imaging system with phase measurement capabilities, and coincidence imaging using SPAD array cameras. More specifically, the thesis describes: •The first realization of a wide-field entanglement-enhanced phase imager. Wide-field here refers to the ability to acquire images across the entire field-of-view simultaneously (i.e. without need for pixel-to-pixel scanning, sometimes also called full-field). Quantum-enabled super-sensitivity in phase imaging beyond the capability of equivalent classical measurement is demonstrated by careful experimental noise and resource analysis methods. Our system’s capabilities were tested through several sample measurements corresponding to use cases with real-world relevance, including nanometre-scale feature step heights in transparent material, biomedical protein microarrays, as well as birefringent phase samples. •The development of general experimental and numerical tools to calculate photon pair coincidence images and videos from SPAD array cameras, with photon-counting and time-tagging readout modalities, as well as the retrieval of phase images resulting from multi-photon entanglement interference, by adapting techniques from interferometry and holography. We performed also a detailed study and optimization of the influence of different experimental parameters resulting image quality factors. •The evolution and optimization of our system towards real-time quantum imaging capability. Acquisition speed is a key element of usefulness, and in this thesis we integrate, first, a visible-wavelength entangled photon source, and second, a novel time-tagging SPAD array camera. The resulting entanglement-enabled imager presents an improvement by at least four orders of magnitude in measurement speed compared to previous state-of-the-art demonstrations, resulting in the ability to record ~Hz frame rate entangled photon pair coincidence videos. We show that this system, besides phase imaging, has additional applications in the form of real-time entangled state fidelity monitoring, and real-time point spread function characterization of optical systems, which has important applicability to adaptive optical imaging. (Español) Los pares de fotones entrelazados pueden mejorar la capacidad de obtención de imágenes. La formación de imágenes de fase permite detectar detalles de muestras transparentes con alta precisión y sin necesitar marcas fluorescentes potencialmente invasivas. Además, el entrelazamiento permite una mayor relación señal-ruido (SNR, por sus siglas en inglés) de la que es posible utilizando luz clásica. Las correlaciones espaciales de las fuentes de pares de fotones basadas en conversión paramétrica descendente espontánea (SPDC, por sus siglas en inglés) también pueden ser empleadas para aumentar la resolución espacial, y la robustez frente al ruido y a las aberraciones. Por tanto, las técnicas de captación de imagen cuántica son una potente estrategia para impulsar el campo de la ciencia de la fotografía especializada más allá de sus límites actuales. La mayor barrera en la implementación de esquemas de captación de imágenes cuánticas basadas en fotones entrelazados es principalmente tecnológica, al carecer de sensores de imagen escalables capaces de detectar imágenes multifotónicas. No obstante, el desarrollo de cámaras de matriz de fotodiodos de avalancha de fotón único (SPAD, por sus siglas en inglés), y de fuentes de pares de fotones entrelazados de alta eficiencia y brillo, basadas en SPDC, ha cambiado el panorama actual. Estos avances han permitido que los componentes necesarios alcancen una relativa madurez tecnológica, lo que abre una ventana de oportunidad para la ingeniería de sistemas útiles que aprovechan el entrelazamiento para mejorar la imagen óptica. En esta tesis, mostramos el desarrollo de una plataforma de captación de imágenes cuántica práctica y rápida, capaz de generar imágenes mediante el uso de coincidencias multifotónicas. Principalmente, nos centramos en la capacidad de formar imágenes de fase de campo amplio, mejoradas por entrelazamiento. Los componentes principales de nuestra plataforma son: fuentes de pares de fotones hiperentrelazados, un sistema óptico de imagen con un gran campo de visión y capacidad de medición de fase, y formación de imagen mediante la detección en coincidencias utilizando cámaras SPAD. Específicamente, la tesis describe: - La primera realización de un sistema de captación de imágenes de fase en configuración de campo amplio mejorado por entrelazamiento. Utilizando métodos de análisis del ruido y de los recursos, se logró demostrar la supersensibilidad en la medición de fase facilitada por iluminación con luz cuántica. Las capacidades de nuestro sistema se probaron con medidas correspondientes a ejemplos del mundo real, por ejemplo, midiendo microarreglos ultrafinos (grosor de nm) en materiales transparentes, muestras biomédicas de microarrays de proteínas, y de fase birrefringente. - El desarrollo de herramientas numéricas y experimentales generales para calcular imágenes y vídeos de coincidencias de pares de fotones con cámaras SPAD, con modos de lectura de conteo de fotones y etiquetado de tiempo. Además, se desarrolló la recuperación de imágenes de fase del entrelazamiento, adaptando técnicas de interferometría y holografía. Asimismo, se realizó un estudio detallado sobre la influencia de diferentes parámetros experimentales en los factores de calidad de imagen. La evolución y optimización de nuestro sistema hacia la formación de imágenes cuánticas en tiempo real. Se integró primero una fuente de fotones entrelazados de longitud de onda visible y, seguidamente, una nueva cámara SPAD con marcado temporal. El sistema resultante presenta una mejora de al menos cuatro órdenes de magnitud en la velocidad de medición en comparación con otras demostraciones. Esto confiere al sistema la capacidad de grabar vídeos de coincidencias de pares de fotones entrelazados con una tasa de fotogramas de Hz. Este sistema, además de medir la fase, tiene aplicaciones para monitorizar tanto la fidelidad de estados de entrelazamiento como la caracterización de la función de dispersión de punto.
(English) Entangled photon pairs can enhance optical imaging capabilities. Phase imaging allows detecting fine detail of transparent samples without potentially invasive fluorescent labelling, and here entanglement enables a higher signal-to-noise ratio (SNR) than possible with only classical light. Spatial correlations from spontaneous parametric down conversion (SPDC) photon pair sources can also be used to increase spatial resolution and robustness to noise and aberrations in imperfect optical systems. Quantum imaging therefore represents a powerful approach to push imaging science beyond its current limits. Until recently, the principal barrier to implementing useful quantum imaging schemes based on entangled photons has been technological, as scalable image sensors capable of multi-photon imaging were unavailable. However, this situation has changed with the development of single photon avalanche diode (SPAD) array cameras, as well as efficient high brightness entangled photon pair sources based on SPDC. These advances have led to the required components now approaching relative technological maturity, opening the window towards engineering useful and scalable systems that exploit entanglement in order to improve optical imaging. In this thesis, we show the development of a quantum imaging platform able to perform practical and fast spatially resolved multi-photon coincidence imaging with high SNR. Special focus is placed on wide-field entanglement-enhanced phase imaging capability, in order to extend experimental sensitivity beyond limits imposed by classical light. The main components of our platform are: sources of hyper-entangled photon pairs, a large field-of-view optical imaging system with phase measurement capabilities, and coincidence imaging using SPAD array cameras. More specifically, the thesis describes: •The first realization of a wide-field entanglement-enhanced phase imager. Wide-field here refers to the ability to acquire images across the entire field-of-view simultaneously (i.e. without need for pixel-to-pixel scanning, sometimes also called full-field). Quantum-enabled super-sensitivity in phase imaging beyond the capability of equivalent classical measurement is demonstrated by careful experimental noise and resource analysis methods. Our system’s capabilities were tested through several sample measurements corresponding to use cases with real-world relevance, including nanometre-scale feature step heights in transparent material, biomedical protein microarrays, as well as birefringent phase samples. •The development of general experimental and numerical tools to calculate photon pair coincidence images and videos from SPAD array cameras, with photon-counting and time-tagging readout modalities, as well as the retrieval of phase images resulting from multi-photon entanglement interference, by adapting techniques from interferometry and holography. We performed also a detailed study and optimization of the influence of different experimental parameters resulting image quality factors. •The evolution and optimization of our system towards real-time quantum imaging capability. Acquisition speed is a key element of usefulness, and in this thesis we integrate, first, a visible-wavelength entangled photon source, and second, a novel time-tagging SPAD array camera. The resulting entanglement-enabled imager presents an improvement by at least four orders of magnitude in measurement speed compared to previous state-of-the-art demonstrations, resulting in the ability to record ~Hz frame rate entangled photon pair coincidence videos. We show that this system, besides phase imaging, has additional applications in the form of real-time entangled state fidelity monitoring, and real-time point spread function characterization of optical systems, which has important applicability to adaptive optical imaging. (Español) Los pares de fotones entrelazados pueden mejorar la capacidad de obtención de imágenes. La formación de imágenes de fase permite detectar detalles de muestras transparentes con alta precisión y sin necesitar marcas fluorescentes potencialmente invasivas. Además, el entrelazamiento permite una mayor relación señal-ruido (SNR, por sus siglas en inglés) de la que es posible utilizando luz clásica. Las correlaciones espaciales de las fuentes de pares de fotones basadas en conversión paramétrica descendente espontánea (SPDC, por sus siglas en inglés) también pueden ser empleadas para aumentar la resolución espacial, y la robustez frente al ruido y a las aberraciones. Por tanto, las técnicas de captación de imagen cuántica son una potente estrategia para impulsar el campo de la ciencia de la fotografía especializada más allá de sus límites actuales. La mayor barrera en la implementación de esquemas de captación de imágenes cuánticas basadas en fotones entrelazados es principalmente tecnológica, al carecer de sensores de imagen escalables capaces de detectar imágenes multifotónicas. No obstante, el desarrollo de cámaras de matriz de fotodiodos de avalancha de fotón único (SPAD, por sus siglas en inglés), y de fuentes de pares de fotones entrelazados de alta eficiencia y brillo, basadas en SPDC, ha cambiado el panorama actual. Estos avances han permitido que los componentes necesarios alcancen una relativa madurez tecnológica, lo que abre una ventana de oportunidad para la ingeniería de sistemas útiles que aprovechan el entrelazamiento para mejorar la imagen óptica. En esta tesis, mostramos el desarrollo de una plataforma de captación de imágenes cuántica práctica y rápida, capaz de generar imágenes mediante el uso de coincidencias multifotónicas. Principalmente, nos centramos en la capacidad de formar imágenes de fase de campo amplio, mejoradas por entrelazamiento. Los componentes principales de nuestra plataforma son: fuentes de pares de fotones hiperentrelazados, un sistema óptico de imagen con un gran campo de visión y capacidad de medición de fase, y formación de imagen mediante la detección en coincidencias utilizando cámaras SPAD. Específicamente, la tesis describe: - La primera realización de un sistema de captación de imágenes de fase en configuración de campo amplio mejorado por entrelazamiento. Utilizando métodos de análisis del ruido y de los recursos, se logró demostrar la supersensibilidad en la medición de fase facilitada por iluminación con luz cuántica. Las capacidades de nuestro sistema se probaron con medidas correspondientes a ejemplos del mundo real, por ejemplo, midiendo microarreglos ultrafinos (grosor de nm) en materiales transparentes, muestras biomédicas de microarrays de proteínas, y de fase birrefringente. - El desarrollo de herramientas numéricas y experimentales generales para calcular imágenes y vídeos de coincidencias de pares de fotones con cámaras SPAD, con modos de lectura de conteo de fotones y etiquetado de tiempo. Además, se desarrolló la recuperación de imágenes de fase del entrelazamiento, adaptando técnicas de interferometría y holografía. Asimismo, se realizó un estudio detallado sobre la influencia de diferentes parámetros experimentales en los factores de calidad de imagen. La evolución y optimización de nuestro sistema hacia la formación de imágenes cuánticas en tiempo real. Se integró primero una fuente de fotones entrelazados de longitud de onda visible y, seguidamente, una nueva cámara SPAD con marcado temporal. El sistema resultante presenta una mejora de al menos cuatro órdenes de magnitud en la velocidad de medición en comparación con otras demostraciones. Esto confiere al sistema la capacidad de grabar vídeos de coincidencias de pares de fotones entrelazados con una tasa de fotogramas de Hz. Este sistema, además de medir la fase, tiene aplicaciones para monitorizar tanto la fidelidad de estados de entrelazamiento como la caracterización de la función de dispersión de punto.
(English) Two-photon quantum correlations are a resource for quantum communication, sensing, and imaging. Coincidence-based quantum imaging leverages spatiotemporal quantum correlations to form images from two-photon coincidences rather than intensity alone. To be useful beyond free-space laboratory setups, such as in access-constrained, realistic settings, quantum correlations must be distributed through compact waveguides while remaining usable after propagation across many spatial modes and at practical rates. This thesis develops methods for waveguide-based quantum imaging by integrating and advancing three main technology components: engineered quantum light sources based on spontaneous parametric down-conversion (SPDC), optical waveguides (including disordered and multicore optical fibre), and detection with single-photon avalanche diode (SPAD) array cameras, through both time-tagging and rolling-delay compensation. We demonstrate and quantify transport of quantum spatiotemporal correlations, and implement quantum imaging in a waveguided geometry using optical fibre. In addition, we show real-time operation with continuous coincidence image frames. The main specific achievements are: - Foundations for correlation transport. We model the propagation of quantum correlated SPDC two-photon states in media (continuous and discrete pictures), identifying measurable signatures of correlation conservation after transport. We develop a protocol that measures the waveguide point-spread function via coincidence imaging with a time-tagging SPAD array and timestamp post-processing. Using these tools, we define metrics to certify and quantify correlation transport through waveguides, and map its dependence on waveguide parameters. - Waveguide-based transport of SPDC correlations We validate transmission of SPDC spatiotemporal correlations through a custom-fabricated transverse Anderson localization optical fibre and a commercially available multicore fibre (MCF), showing high-dimensional, mode-parallel delivery of correlations necessary for coincidence imaging protocols. We inject position anticorrelated photon pairs into the fibres, extract coincidences from SPAD array timestamps, characterize the waveguide point-spread function through the coincidence-imaging protocol and quantify preservation of correlations. - Waveguided quantum ghost imaging. Building on the established quantum correlation distribution, we implement waveguided quantum ghost imaging (QGI) through a MCF using a non-degenerate signal-idler photon pair SPDC source. The idler illuminates the sample through the waveguide and is detected with a single SPAD, while the signal, which has not interacted with the sample, is imaged with spatial resolution on a SPAD array camera. We report image quality and imaging rates, and identify limits of optical resolution. - Real-time quantum ghost imaging. We realize real-time, low-latency QGI (free-space and waveguided) by leveraging in-pixel asynchronous coincidence extraction in the SPAD array camera, eliminating external post-processing latency. Coincidence image frames are produced continuously, supporting live alignment and use. Together, these results provide methods for waveguided, mode-parallel delivery and measurement of quantum correlations using optical fibre transport and SPAD array camera coincidence imaging, and thus extend quantum imaging technology towards practical waveguided settings. This may outline routes to applications in constrained environments, low photon flux regimes, and imaging at unusual wavelengths, potentially enabling new use-cases for quantum imaging, for example in the life sciences. (Català) Les correlacions quàntiques de dos fotons són un recurs per a la comunicació, la detecció i la imatge quàntiques. La formació d’imatges quàntiques basada en coincidències utilitza correlacions espaciotemporals quàntiques per generar imatges a partir de coincidències de dos fotons, en lloc de la intensitat. Perquè aquesta tècnica sigui útil més enllà dels muntatges en espai lliure de laboratori -- com en entorns realistes i amb accés limitat -- les correlacions quàntiques han de poder distribuir-se mitjançant guies d’ona compactes, mantenint-se útils després de la propagació a través de molts modes espacials i a taxes pràctiques. Aquesta tesi desenvolupa mètodes d’imatge quàntica basada en guies d’ona integrant i desenvolupant tres components tecnològics principals: fonts de llum quàntica basades en conversió paramètrica espontània descendent (SPDC, per les seves sigles en anglès, spontaneous parametric down-conversion), guies d’ona òptiques (incloent estructures de fibres òptiques desordenades i de múltiples nuclis) i detecció amb càmeres de matriu de fotodíodes d’allau de fotó únic (SPAD, single-photon avalanche diode). Demostrem i quantifiquem el transport de correlacions quàntiques espaciotemporals i implementem imatge quàntica amb guia d’ona mitjançant fibra òptica. Mostrem la generació d’imatges per coincidència en temps real. Els principals resultats específics són: - Fonaments del transport de correlacions. Modelem la propagació d’estats de dos fotons de SPDC, correlacionats quànticament en medis continus i discrets, identificant signatures mesurables de preservació de correlacions després del transport. Desenvolupem un protocol per mesurar la funció de dispersió puntual (PSF, point-spread function) de la guia d’ona mitjançant imatge per coincidències amb una càmera SPAD amb registre temporal i processat posterior de marques de temps. Amb aquestes eines, definim mètriques per verificar i quantificar el transport de correlacions a través de guies d’ona i caracteritzar-ne la dependència dels paràmetres de la guia. - Transport de correlacions de SPDC amb guia d’ona. Validem la transmissió de correlacions espaciotemporals de SPDC a través d’una fibra òptica amb localització transversal d’Anderson fabricada a mida i d’una fibra de múltiples nuclis (MCF, multicore fibre) comercial, mostrant transport de correlacions d’alta dimensionalitat en modes paral·lels, clau per a la imatge per coincidències. - Imatge quàntica fantasma amb guia d’ona. A partir de la distribució establerta de correlacions quàntiques, implementem imatge quàntica fantasma amb guia d’ona (QGI, quantum ghost imaging) mitjançant una MCF amb una font SPDC de parells fotònics signal-idler no degenerats. L’idler il·lumina la mostra a través de la MCF i es detecta amb un únic SPAD, mentre que el signal, que no ha interaccionat amb la mostra, es registra amb resolució espacial en una càmera SPAD. Es presenten la qualitat d’imatge, les taxes d’adquisició i els límits de resolució òptica. - Imatge quàntica fantasma en temps real. Aconseguim imatge quàntica fantasma (en espai lliure i amb guia d’ona) en temps real i amb baixa latència, aprofitant l’extracció asíncrona de coincidències en píxel de la càmera SPAD, eliminant la latència de processat extern. Els fotogrames de coincidències es generen de manera contínua, cosa que permet el seu alineament i ús en directe. En conjunt, aquests resultats proporcionen mètodes per a la distribució i mesura de correlacions quàntiques en guies d’ona entre diversos modes en paral·lel mitjançant transport per fibra òptica i formació d’imatges per coincidència amb càmeres SPAD, ampliant així la tecnologia d’imatge quàntica cap a entorns pràctics amb guia d’ona. Això pot obrir vies a aplicacions en entorns limitats, amb baix flux fotònic i longituds d’ona inusuals, possibilitant nous casos d’ús per a la imatge quàntica, per exemple en ciències de la vida. (Español) Las correlaciones cuánticas de dos fotones son un recurso para comunicación, detección e imagen cuánticas. La formación de imágenes cuánticas basada en coincidencias utiliza correlaciones espaciotemporales cuánticas para generar imágenes a partir de coincidencias de dos fotones, en lugar de la intensidad. Para que esta técnica sea útil más allá de los montajes en espacio libre de laboratorio -- como en entornos realistas y con acceso limitado -- las correlaciones cuánticas deben poder distribuirse mediante guías de onda compactas, manteniéndose útiles tras la propagación a través de muchos modos espaciales y a tasas prácticas. Esta tesis desarrolla métodos de imagen cuántica basada en guías de onda integrando y desarrollando tres componentes tecnológicos principales: fuentes de luz cuántica basadas en conversión paramétrica espontánea descendente (SPDC, por sus siglas en inglés, spontaneous parametric down-conversion), guías de onda ópticas (incluyendo estructuras de fibras ópticas desordenadas y multinúcleo) y detección con cámaras de matriz de fotodiodos de avalancha de fotón único (SPAD, single-photon avalanche diode). Demostramos y cuantificamos el transporte de correlaciones cuánticas espaciotemporales e implementamos imagen cuántica con guía de onda mediante fibra óptica. Mostramos generación de imágenes por coincidencia en tiempo real. Los principales logros específicos son: - Fundamentos del transporte de correlaciones. Modelamos la propagación de estados de dos fotones de SPDC, correlacionados cuánticamente en medios continuos y discretos, identificando firmas medibles de preservación de correlaciones tras el transporte. Desarrollamos un protocolo para medir la función de dispersión puntual (PSF, point-spread function) de la guía de onda mediante imagen por coincidencias con una cámara SPAD con registro temporal y procesamiento posterior de marcas de tiempo. Con estas herramientas, definimos métricas para verificar y cuantificar el transporte de correlaciones a través de guías de onda y caracterizar su dependencia de los parámetros de la guía. - Transporte de correlaciones de SPDC con guía de onda. Validamos la transmisión de correlaciones espaciotemporales de SPDC a través de una fibra óptica con localización transversal de Anderson fabricada a medida y de
Quantum technology promises improvements in imaging, computing, and communication, for example using the resource of entanglement between photons with spatial correlations. Detecting spatial correlations, or coincidences, between entangled photons scalably, efficiently, and affordably is therefore an essential capability. However, this task is non-trivial for existing camera technologies, which require low illumination intensities or low detection duty cycles to count coincidences at high signal-to-noise ratios, resulting in long acquisition time, or use expensive custom electronic components. Here, we present an entanglement imaging system based around a novel Single-Photon Avalanche Diode (SPAD) array camera, optimized for sparse illumination with correlated photon pairs. The system is capable of maintaining a duty cycle close to 100%, while simultaneously detecting spatially resolved coincidences with high SNR, enabling the acquisition of real-time entanglement videos at a ~Hz frame rate. We use our system to demonstrate real-time monitoring of entanglement interference visibility, optical system point spread function, as well as real-time widefield entanglement-enhanced phase imaging. Our results show that SPAD array cameras represent a natural choice for scalable entanglement detection and imaging applications.
Single-photon avalanche diode (SPAD) arrays are essential tools in biophotonics, optical ranging and sensing, and quantum optics. However, their small number of pixels, low quantum efficiency, and small fill factor have so far hindered their use for practical imaging applications. Here, we demonstrate full-field entangled photon-pair correlation imaging using a 100-kpixel SPAD camera. By measuring photon coincidences between more than 500 million pairs of positions, we retrieve the full point spread function of the imaging system and subsequently high-resolution images of target objects illuminated by spatially entangled photon pairs. We show that our imaging approach is robust against stray light, enabling quantum imaging technologies to move beyond laboratory experiments towards real-world applications such as quantum light detection and ranging.
The nonlocal correlations of entangled systems are a feature inherent to quantum theory that is fundamentally at odds with our common-sense notions of realism and locality. Additionally, entanglement is an essential resource for numerous quantum communication protocols such as quantum teleportation and quantum dense coding, quantum cryptography, as well as quantum-enhanced metrological schemes and quantum computation. These quantum schemes allow for significant gains in performance over their classical counterparts, and a commercial implementation of protocols utilizing entangled photons thus seems likely in the foreseeable future. A key challenge to be addressed, in order to achieve a global-scale implementation of quantum-enhanced protocols, is the distribution of entanglement over long distances. While photons are in many ways ideal carriers of quantum information, their distribution over long distances is significantly impeded by losses. At present, loss in optical fiber links or atmospheric attenuation and obstructions of the line of sight in terrestrial free-space links limit the distribution of photonic entanglement to several hundred kilometers. Installing sources of photons with quantum correlations on space platforms would allow such distance limitations to be overcome. This would not only lead to the first global-scale implementation of quantum communication protocols, but would also create the opportunity for a completely new class of quantum experiments in a general relativistic framework. State-of-the-art laboratory sources of entangled photons are generally ill-suited for applications in harsh environments such as space, either owing to the use of bulky lasers, the requirement for active interferometric stabilization, or insufficient photon-pair-generation efficiency. Thus, an integral milestone for the experimental implementation of quantum communication protocols over satellite links is the development of robust, space-proof sources of entangled photons with high brightness and entanglement visibility. This thesis is intended to bridge laboratory experiments and real-world applications of quantum entanglement in harsh operational conditions. To this end, the main results of this thesis are: Highly efficient sources of polarization-entangled photons for the distribution of entanglement via long-distance free-space links. The sources are very robust and compact, and incorporate only components which are compliant with the severe requirements of space flight and operation. Optimization of spectral properties and fiber-coupling efficiency of photon pairs generated via spontaneous parametric down-conversion in bulk periodically poled potassium titanyl phosphate. The results of these studies are of great practical relevance for the development of an ultra-stable and efficient entangled photon source. Engineering and characterization of field-deployable polarization-entangled photon sources with high visibility (>99%) and record pair-detection rates (>3 million detected pairs per mW of pump power). As a result of the performance demonstrated, the sources developed have been incorporated into ongoing experiments, for example in quantum nanophotonics and quantum communications, and will provide an enabling tool for future real-world applications. Las correlaciones no locales de sistemas entrelazados son una característica inherente a la teoría cuántica que está fundamentalmente en desacuerdo con nuestra noción intuitiva de realismo y localidad. Además, el entrelazamiento es un recurso esencial en numerosos protocolos de comunicaciones cuánticas, como por ejemplo la teleportación cuántica o la criptografía cuántica, en esquemas metrológicos cuánticos y en computación cuántica. Todos estos esquemas cuánticos permiten mejoras significativas de rendimiento con respecto a sus homólogos clásicos, por lo tanto, parece previsible que en un futuro próximo veamos implementaciones comerciales de protocolos que utilicen fotones entrelazados. Un reto fundamental con el fin de lograr una implementación a escala global del entrelazamiento cuántico es su distribución a grandes distancias. A pesar de que los fotones son portadores ideales de información cuántica, su distribución a través de largas distancias está significativamente limitada por pérdidas. En la actualidad, las pérdidas introducidas por las fibras ópticas, la atenuación atmosférica, o la dificultad de obtener una línea de visión directa en enlaces terrestres limitan la distribución de entrelazamiento fotónico a varios cientos de kilómetros. La instalación de fuentes de fotones con correlaciones cuánticas en plataformas espaciales permitiría superar tales limitaciones de distancia. Esto no sólo daría lugar a la primera aplicación de protocolos de comunicación cuántica a escala mundial, sino que también daría la oportunidad de llevar a cabo un nuevo tipo de experimentos cuánticos en un marco de la relatividad general. Las fuentes de fotones entrelazados que podemos encontrar hoy en día en los laboratorios de óptica cuántica no están en general preparadas para ser usadas en entornos hostiles, como podría ser el espacio, ya sea por la utilización de láseres voluminosos, la necesidad de estabilizar interferómetros activamente o simplemente por tener una eficiencia insuficiente. Por lo tanto, un prerrequisito para lograr la implementación experimental de protocolos de comunicación cuántica a través de enlaces satelitales es el desarrollo de fuentes de fotones entrelazados que sean robustas, compatibles con operación espacial, y con alto brillo y visibilidad. En esta tesis se pretende conectar los experimentos de laboratorio en entrelazamiento cuántico y las aplicaciones en entornos operacionales desfavorables en el mundo real. Los principales resultados son: ¿ Fuentes de fotones entrelazados en polarización de alta eficiencia para la distribución de entrelazamiento a través de enlaces en espacio libre de larga distancia. Las fuentes son muy robustas y compactas, y utilizan únicamente componentes que son compatibles con estrictos requisitos de vuelo y operaciones espaciales. - Optimización de las propiedades espectrales y la eficiencia de acoplamiento a fibra monomodo de pares de fotones generados a través de spontaneous parametric down-conversion en titanil fosfato de potasio polarizado periódicamente. Los resultados de estos estudios son de gran importancia para el desarrollo de una fuente de fotones entrelazados ultra-estable y eficiente. - Desarrollo y caracterización de fuentes de fotones entrelazados en polarización con alta visibilidad (> 99%) y alto brillo (> 3 millones de pares detectados por mW de potencia de bombeo). Como resultado del rendimiento obtenido, las fuentes desarrolladas en esta tesis ya están siendo utilizadas en experimentos en curso, como por ejemplo en nanofotónica cuántica y en comunicaciones cuánticas, y serán un elemento esencial en futuras aplicaciones.
Quantum resources can provide supersensitive performance in optical imaging. Detecting entangled photon pairs from spontaneous parametric down conversion (SPDC) with single-photon avalanche diode (SPAD) image sensor arrays (ISAs) enables practical wide-field quantum-enhanced imaging. However, matching the SPDC wavelength to the peak detection efficiency range of complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) compatible mass-producible SPAD-ISAs has remained technologically elusive, resulting in low imaging speeds to date. Here, we show that a recently developed visible-wavelength entangled photon source enables high-speed quantum imaging. By operating at high detection efficiency of a SPAD-ISA, we increase acquisition speed by more than an order of magnitude compared to previous similar quantum imaging demonstrations. Besides being fast, the quantum-enhanced phase imager operating at short wavelengths retrieves nanometer scale height differences, tested by imaging evaporated silica and protein microarray spots on glass samples, with sensitivity improved by a factor of 1.351 ± 0.004 over equivalent ideal classical imaging. This work represents an important stepping stone towards scalable real-world quantum imaging advantage, and may find use in biomedical and industrial applications as well as fundamental research.
La investigación científica y tecnológica avanza a un ritmo vertiginoso. En este continuo progreso, la capacidad de procesamiento de imágenes desempeña un papel crucial en una amplia variedad de campos de aplicación (medicina, teledetección, seguridad, agricultura, etc.), donde un análisis exhaustivo de los datos permite una mejor toma de decisiones. Actualmente, existen cámaras y sensores que posibilitan la captura de una gran cantidad de imágenes de alta resolución. El procesamiento de estas imágenes representa un desafío computacional significativo en la tarea de extraer eficientemente la información que contienen. Este aspecto es aún más evidente al trabajar con imágenes que incorporan información en distintas longitudes de onda o bandas espectrales, como ocurre en el caso de las imágenes multi-espectrales. Por otro lado, dentro del procesado de imagen también es de interés destacar el procesamiento cuántico de imágenes que, aunque actualmente es un área emergente, promete un gran potencial en la resolución de problemas complejos de procesamiento de imágenes en el futuro. Este procesamiento aprovecha las propiedades de la mecánica cuántica para resolver problemas complejos, abriendo nuevas posibilidades en el campo del procesamiento de imágenes. Sin embargo, la computación cuántica se encuentra aún en una fase preliminar, debido principalmente a los retos que suponen el incremento en el número de cúbits de las plataformas, y mantener la fiabilidad de los dispositivos con una gestión adecuada del ruido inherente a su funcionamiento. A medida que esta tecnología continúe desarrollándose es probable que se alcancen avances significativos en la capacidad de procesamiento de imágenes. Por ello, resulta esencial que el diseño de circuitos cuánticos esté optimizado, permitiendo así que los algoritmos de procesado de imágenes puedan utilizarlos cuando los desafíos anteriores estén resueltos. A lo largo de esta tesis se exploran los fundamentos teóricos y las aplicaciones prácticas de dos problemas relacionados con el procesamiento de imagen. En primer lugar, se investiga un problema de agricultura de precisión que trabaja con imágenes multi-espectrales. Concretamente, se realiza la implementación de una herramienta automática para comprobar el funcionamiento de herbicidas en un cultivo de girasol. Este problema se aborda utilizando técnicas de visión artificial como es la clasificación basada en objetos y, adicionalmente, se compara con dos aproximaciones basadas en Aprendizaje Profundo. Uno de los principales retos al trabajar con imágenes multi-espectrales son las distorsiones tanto geométricas como de perspectiva que estas presentan. Por lo tanto, en esta tesis se lleva a cabo un exhaustivo proceso de calibración y co-registro de las imágenes de una cámara multiespectral Sequoia. Este calibrado puede considerarse también una aportación de la tesis, puesto que la metodología definida podría extrapolarse para calibrar otras cámaras multi-espectrales. El segundo problema abordado está relacionado con la computación cuántica. Concretamente, en esta tesis se implementa un algoritmo tolerante a fallos para la segmentación de imágenes sobre plataformas cuánticas. El algoritmo se denomina “dual threshold”, o algoritmo de segmentación de doble umbral. Debido a que este algoritmo involucra dos operaciones de comparación, se diseñan dos circuitos cuánticos comparadores tolerantes a fallos. La bondad tanto de los circuitos cuánticos comparadores como del algoritmo implementado se mide utilizando un conjunto de métricas contrastadas entre las que destaca el coste de puertas T, que son las puertas relacionadas con la tolerancia a fallos. Finalmente, los desarrollos e implementaciones que se han propuesto para solucionar los dos problemas anteriormente citados se comparan con sus análogos del estado del arte, mostrando las bondades de las aportaciones realizadas durante la presente disertación.