Quantum State Manipulation in Temporal Modes of Light

Abstract

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 $\Lambda$-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.