Non-classical correlations, usually referred as entanglement, are ones of the most studied and discussed features of Quantum Mechanics, since the initial introduction of the concept in the decade of 1930s. Even nowadays, a lot of efforts, both theoretical and experimental, are devoted in this topic, that covers many distinct areas of physics, such as a quantum computing, quantum measurement, quantum communications, solid state physics, chemistry and even biology. The fundamental tasks that one should consider related to the entanglement are: -How to create quantum entangled states. -How to maintain entanglement during propagation against sources of decoherence. -How to effectively detect it. -How to employ the benefits that entanglement offers. This thesis, divided into four chapters, concentrates on the first and last tasks considered above. In Chapter 1, a brief introduction and overview of what it is entanglement is given, starting with the famous paper of Einstein, Podolsky and Rosen, and continuing with John Bell's formulation of the so-called Bell's inequalities. We define here general concepts about entangled quantum states and introduce important entanglement measures, that are later used all over the thesis. In this chapter, sources of entangled particles (namely photons) are also mentioned. The importance is put on sources based on the nonlinear process of spontaneous parametric down-conversion. The last part of this chapter is then dedicated to a list of applications that benefit from the use of engangled states. Chapter 2 is devoted to the systematic study of the generation of entangled and non-entangled photon pairs in semiconductor Bragg reflection waveguides. Firstly, we present a source of photon pairs with a spectrally uncorrelated two-photon amplitude, achieved by a proper tailoring of the geometrical and material dispersions via structural design of waveguides. Secondly, Bragg reflection waveguides are designed in a scuh way, that results in the generation of spectrally broadband paired photons entangled in the polarization degree of freedom. Finally, we present experimental results of entangled photon pairs generation in this type of structures. In Chapter 3, we explore the feasibility of the generation of photon pairs entangled in the spatial degree of freedom, i.e. in the orbital angular momentum (OAM). Firstly, we examine how to create a highly multidimensional Hilbert space using OAM modes obtained in a chipred-poled nonlinear bulk crystals. Here, we show, how an increase of the chirp of the poling can effectively increase the Schmidt number by several orders of magnitude. Secondly, we investigate periodically poled silica glass fibres with a ring-shpaed core, that are capable to support the generation of simple OAM modes. The final Chapter 4 is dedicated to the Anderson localization and quantum random walks. At the beginning of this chapter, we present an experimental proposal for the realization of a discrete quantum random walks using the multi-path Mach-Zehnder interferometer with a spatial light modulator, that allows us to introduce different types of statistical or dynamical disorders. And secondly, we show how the transverse Anderson localization of partially coherent light, with a variable first-order degree of coherence, can be studied making use of entangled photon pairs. Las correlaciones cuánticas, normalmente conocidas como entanglement, son uno de los temas más estudiados y discutidos de la Mecánica Cuántica, desde la introducción del concepto en la década de 1930. Incluso hoy en día, una gran cantidad de esfuerzos, tanto teóricos como experimentales, se dedican en este tema, que cubre muchas áreas distintas de la física, tales como medición cuántica (quantum metrology), computación cuántica (quantum computing), comunicaciones cuánticas (quantum communications), física de estado sólido, química e incluso biología. Las tareas fundamentales de investigación que uno debe considerar en relación con entrelazamiento son: -Cómo crear estados cuánticos entangled. -Cómo mantener el entanglement durante la propagación, en contra de las fuentes que pueden crear de-coherencia. -Cómo emplear los beneficios que el entanglement ofrece. Esta tesis, dividida en cuatro capítulos, se centra en la primera y últimas tareas consideradas. En el capítulo 1, se da una breve introducción y una visión general de lo que es el entrelazamiento (entanglement), empezando por el famoso artículo de Einstein, Podolosky y Rosen, y continuando con la formulación de John Bell de las llamados desigualdades de Bell. Definimos aquí conceptos generales acerca de los estados cuánticos enrelazados e introducimos algunas medidas de entrelazamiento importantes, que se utilizan posteriormente a lo largo de toda la tesis. En este capítulo, algunas fuentes de partículas entrelazadas (fotones) se mencionan brevemente. La importancia se pone en fuentes basadas en el proceso no lineal de generación paramétrica espontánea (SPDC, Spontaneous Parametric Down Conversion). La última parte de este capítulo está dedicado a mencionar algunas aplicaciones que se benefician de la utilización de estados entrelazados. El capítulo 2 se dedica al estudio sistemático de la generación de pares de fotones entrelazados, o no, en guías semiconductores de tipo Bragg. En primer lugar, se presenta una fuente de pares de fotones espectralmente no correlacionados, lo que se puede conseguir utilizando la geometría adecuada y la adecuada dispersión del material, a través del diseño estructural de las guías de onda. En segundo lugar, las guías de onda de Bragg se diseñan de manera que dan como resultado la generación de pares de fotones entrelazados en el grado de libertad de polarización con un ancho de banda grande. Finalmente, se presentan resultados experimentales de pares de fotones generados en este tipo de estructuras. En el capítulo 3, se explora la viabilidad de la generación de pares de fotones entrelazados en el grado espacial de libertad, es decir, en el momento angular orbital (OAM). En primer lugar, se investiga cómo crear un espacio de Hilbert altamente multidimensional utilizando modos OAM Para ello se ahce uso de materiales no lineales con chirped-qausi-phase-matching. Aquí mostramos cómo un aumento del chirp puede aumentar efectivamente el número de Schmidt en varios órdenes de magnitud. En segundo lugar, se investiga como fibras de vidrio con un núcleo en forma de anillo son capaces de generar y propagar los modos con OAM más simples. El Capítulo 4 se dedica a la localización Anderson y a los llamados paseos aleatorios cuánticos (Quantum random walks). En primer lugar se presenta una propuesta experimetnal para la realización de un paseo aleatorio discreto cuántico utilizando un interferómetro MAch-Zehnder con un modulador espacial de luz, que nos permite introducir diferentes tipos de ruido con diferentes tipos de estadística. En segundo lugar, se muestra cómo la localización transveral Anderson de luz parcialmente coherente se puede estudiar haciendo uso de pares de fotones entrelazado
Non-classical correlations, usually referred as entanglement, are ones of the most studied and discussed features of Quantum Mechanics, since the initial introduction of the concept in the decade of 1930s. Even nowadays, a lot of efforts, both theoretical and experimental, are devoted in this topic, that covers many distinct areas of physics, such as a quantum computing, quantum measurement, quantum communications, solid state physics, chemistry and even biology. The fundamental tasks that one should consider related to the entanglement are: -How to create quantum entangled states. -How to maintain entanglement during propagation against sources of decoherence. -How to effectively detect it. -How to employ the benefits that entanglement offers. This thesis, divided into four chapters, concentrates on the first and last tasks considered above. In Chapter 1, a brief introduction and overview of what it is entanglement is given, starting with the famous paper of Einstein, Podolsky and Rosen, and continuing with John Bell's formulation of the so-called Bell's inequalities. We define here general concepts about entangled quantum states and introduce important entanglement measures, that are later used all over the thesis. In this chapter, sources of entangled particles (namely photons) are also mentioned. The importance is put on sources based on the nonlinear process of spontaneous parametric down-conversion. The last part of this chapter is then dedicated to a list of applications that benefit from the use of engangled states. Chapter 2 is devoted to the systematic study of the generation of entangled and non-entangled photon pairs in semiconductor Bragg reflection waveguides. Firstly, we present a source of photon pairs with a spectrally uncorrelated two-photon amplitude, achieved by a proper tailoring of the geometrical and material dispersions via structural design of waveguides. Secondly, Bragg reflection waveguides are designed in a scuh way, that results in the generation of spectrally broadband paired photons entangled in the polarization degree of freedom. Finally, we present experimental results of entangled photon pairs generation in this type of structures. In Chapter 3, we explore the feasibility of the generation of photon pairs entangled in the spatial degree of freedom, i.e. in the orbital angular momentum (OAM). Firstly, we examine how to create a highly multidimensional Hilbert space using OAM modes obtained in a chipred-poled nonlinear bulk crystals. Here, we show, how an increase of the chirp of the poling can effectively increase the Schmidt number by several orders of magnitude. Secondly, we investigate periodically poled silica glass fibres with a ring-shpaed core, that are capable to support the generation of simple OAM modes. The final Chapter 4 is dedicated to the Anderson localization and quantum random walks. At the beginning of this chapter, we present an experimental proposal for the realization of a discrete quantum random walks using the multi-path Mach-Zehnder interferometer with a spatial light modulator, that allows us to introduce different types of statistical or dynamical disorders. And secondly, we show how the transverse Anderson localization of partially coherent light, with a variable first-order degree of coherence, can be studied making use of entangled photon pairs. Las correlaciones cuánticas, normalmente conocidas como entanglement, son uno de los temas más estudiados y discutidos de la Mecánica Cuántica, desde la introducción del concepto en la década de 1930. Incluso hoy en día, una gran cantidad de esfuerzos, tanto teóricos como experimentales, se dedican en este tema, que cubre muchas áreas distintas de la física, tales como medición cuántica (quantum metrology), computación cuántica (quantum computing), comunicaciones cuánticas (quantum communications), física de estado sólido, química e incluso biología. Las tareas fundamentales de investigación que uno debe considerar en relación con entrelazamiento son: -Cómo crear estados cuánticos entangled. -Cómo mantener el entanglement durante la propagación, en contra de las fuentes que pueden crear de-coherencia. -Cómo emplear los beneficios que el entanglement ofrece. Esta tesis, dividida en cuatro capítulos, se centra en la primera y últimas tareas consideradas. En el capítulo 1, se da una breve introducción y una visión general de lo que es el entrelazamiento (entanglement), empezando por el famoso artículo de Einstein, Podolosky y Rosen, y continuando con la formulación de John Bell de las llamados desigualdades de Bell. Definimos aquí conceptos generales acerca de los estados cuánticos enrelazados e introducimos algunas medidas de entrelazamiento importantes, que se utilizan posteriormente a lo largo de toda la tesis. En este capítulo, algunas fuentes de partículas entrelazadas (fotones) se mencionan brevemente. La importancia se pone en fuentes basadas en el proceso no lineal de generación paramétrica espontánea (SPDC, Spontaneous Parametric Down Conversion). La última parte de este capítulo está dedicado a mencionar algunas aplicaciones que se benefician de la utilización de estados entrelazados. El capítulo 2 se dedica al estudio sistemático de la generación de pares de fotones entrelazados, o no, en guías semiconductores de tipo Bragg. En primer lugar, se presenta una fuente de pares de fotones espectralmente no correlacionados, lo que se puede conseguir utilizando la geometría adecuada y la adecuada dispersión del material, a través del diseño estructural de las guías de onda. En segundo lugar, las guías de onda de Bragg se diseñan de manera que dan como resultado la generación de pares de fotones entrelazados en el grado de libertad de polarización con un ancho de banda grande. Finalmente, se presentan resultados experimentales de pares de fotones generados en este tipo de estructuras. En el capítulo 3, se explora la viabilidad de la generación de pares de fotones entrelazados en el grado espacial de libertad, es decir, en el momento angular orbital (OAM). En primer lugar, se investiga cómo crear un espacio de Hilbert altamente multidimensional utilizando modos OAM Para ello se ahce uso de materiales no lineales con chirped-qausi-phase-matching. Aquí mostramos cómo un aumento del chirp puede aumentar efectivamente el número de Schmidt en varios órdenes de magnitud. En segundo lugar, se investiga como fibras de vidrio con un núcleo en forma de anillo son capaces de generar y propagar los modos con OAM más simples. El Capítulo 4 se dedica a la localización Anderson y a los llamados paseos aleatorios cuánticos (Quantum random walks). En primer lugar se presenta una propuesta experimetnal para la realización de un paseo aleatorio discreto cuántico utilizando un interferómetro MAch-Zehnder con un modulador espacial de luz, que nos permite introducir diferentes tipos de ruido con diferentes tipos de estadística. En segundo lugar, se muestra cómo la localización transveral Anderson de luz parcialmente coherente se puede estudiar haciendo uso de pares de fotones entrelazado
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.
This thesis focusses on the essential features of Quantum Theory that are systems in an entangled state and Bell nonlocal correlations. Here, we take the angle of a resource theory and are interested in understanding better how entanglement and nonlocality, first, relate to one another. Indeed, if entangled systems are necessary for the generation of nonlocal correlations, there nevertheless exist entangled systems that seem unable to do so. Quantitatively, it is also unclear whether "more" entanglement leads to "more" nonlocality and, related to that, which measures should be used as quantifiers. Second, entangled systems and nonlocal correlations have been identified as resources for information tasks with no classical equivalent such as the generation of true random numbers. It is then important to understand how the two quantum resources relate to other quantities generated in information tasks. First, we show that entangled quantum systems are unbounded resources for the generation of certified random numbers by making sequences of measurements on them. This certification is achieved through the successive near maximal violation of a particular Bell inequality for each measurement in the sequence. Moreover, even the simplest two-qubit systems in an almost separable (pure) state achieve this unbounded andomness certification. Second, we show that entanglement and nonlocality are seemingly put in a quantitative equivalence when using the nonlocal volume as measure. This measure is defined as the probability that a system in a given state generates nonlocal correlations when random measurements are performed on it. We prove that this measure satisfies natural properties for an operational measure of nonlocality. Then we show that, in all situations that we could explore, the most nonlocal state -- as measured by the nonlocal volume -- is always the maximally entangled state. Third, we consider multipartite scenarios in which quantum systems are distributed to numerous parties. Note that it is in general harder to generate a system that is entangled between many parties rather than more systems entangled between fewer parties. In that spirit, we develop a framework and tools for the study of correlation depth, i.e. the minimal size of the resource -- such as entangled systems -- that is needed for the (re)production of the correlations. Fourth, we study the equivalence between the multipartite notions of entanglement and of nonlocality. From an operational understanding of multipartite entanglement, we develop simple families of Bell inequalities that are very efficient for the detection of multipartite nonlocality of pure states. Last, we study the utility of multipartite quantum correlations for the design of information protocols. We also identify novel features characteristic of these correlations. The results of this thesis shed light on the interrelations in the triangle entanglementnonlocality- randomness in Quantum Theory. By going beyond the standard approaches -by considering sequences of measurements on the systems or by considering a novel measure of nonlocality- we obtain insight on the quantitative relations between these three essential quantities. Our study of the multipartite scenario also helps in characterising and identifying multipartite correlations in a simple way. Finally, we also deepened our understanding of how entangled systems and nonlocal correlations, in particular multipartite ones, serve as resources for the design of information tasks with no classical equivalent. La física cuántica es drásticamente distinta de su análogo clásico. Por ejemplo, en principio es posible conocer con certidumbre el resultado de cualquier proceso clásico, si uno tiene un conocimiento perfecto de las condiciones iniciales del proceso y sus interacciones. Sin embargo, la física cuántica es intrínsecamente aleatoria: incluso con un control perfecto, el resultado de un proceso cuántico es, en general, probabilístico. El rango de posibilidades en términos de procesamiento de información también cambia cuando se codifica información en el estado de sistemas cuánticos. El estudio de todas estas nuevas posibilidades es el objeto de la teoría de la información cuántica. Esta tesis se centra en dos fenómenos cuánticos responsables de parte del poder de la teoría de información cuántica: la existencia de sistemas físicos en estados entrelazados y de correlaciones de Bell no-locales. En primer lugar, y tomando el enfoque de una teoría de recursos, nuestro primer objetivo es comprender mejor cómo el entrelazamiento y la no-localidad se relacionan entre sí. De hecho, si bien es sabido que los sistemas entrelazados son necesarios para la generación de correlaciones no-locales, existen sin embargo sistemas entrelazados que parecen incapaces de hacerlo. Cuantitativamente, tampoco está claro si "más" entrelazamiento conduce a "más" no-localidad y qué medidas deben usarse como cuantificadores. En segundo lugar, los sistemas entrelazados y las correlaciones no-locales se han identificado como recursos para tareas de información sin ningún equivalente clásico, como por ejemplo la generación certificada de números aleatorios. Es por tanto importante comprender cómo los dos recursos cuánticos se relacionan con otras cantidades generadas en las tareas de información. El trabajo de la tesis, centrado alrededor de estas dos motivaciones, ha llevado a los resultados que se describen a continuación. Primero, mostramos que los sistemas cuánticos entrelazados son recursos ilimitados para la generación de números aleatorios certificados a través de secuencias de medidas. Esta certificación se logra mediante la sucesiva violación, casi máxima, de una desigualdad de Bell particular para cada medición en la secuencia. Además, incluso los sistemas de dos qubits más simples, en un estado puro casi separable, logran esta certificación de aleatoriedad ilimitada. En segundo lugar, mostramos que el entrelazamiento y la no-localidad se expresan, aparentemente, en una equivalencia cuantitativa cuando se utiliza el "volumen no-local" como cuantificador. El volumen no-local se define como la probabilidad de que un sistema en un estado dado genere correlaciones no-locales cuando se realizan mediciones aleatorias en él. Probamos que este cuantificador satisface las propiedades naturales de una medida operacional de no-localidad. Luego mostramos que, en todas las situaciones que podemos explorar, el estado más nolocal, medido por el volumen no-local, es siempre el más entrelazado. Finalmente, obtenemos varios resultados en escenarios multi-partitos en los que los sistemas cuánticos se distribuyen entre numerosos observadores. Desarrollamos un marco y herramientas para el estudio de la profundidad de correlación, es decir, el tamaño mínimo del recurso (por ejemplo, el entrelazamiento) que es necesario para la reproducción de las correlaciones. Además. estudiamos la equivalencia entre las nociones multi-partitas de entrelazamiento y de no-localidad, obteniendo familias sencillas de desigualdades de Bell que son muy eficientes para la detección de no-localidad multi-partita generada por sistemas en estados puros. Por último, estudiamos la utilidad de las correlaciones cuánticas multi-partitas para el diseño de protocolos de información. Los resultados de esta tesis arrojan luz sobre las interrelaciones en el triángulo entrelazamiento/no-localidad/aleatoriedad en la teoría cuántica. Al ir más allá de los enfoques estándar, al considerar secuencias de mediciones en los sistemas o al considerar una nueva medida de no-localidad, obtenemos información sobre las relaciones cuantitativas entre estas tres cantidades esenciales. Nuestro estudio del escenario multi-partito también ayuda a caracterizar e identificar las correlaciones multi-partitas de una manera simple. Finalmente, profundizamos nuestra comprensión de cómo los sistemas entrelazados y las correlaciones no-locales, en particular multi-partitas, sirven como recursos para el diseño de tareas de información sin análogo clásico.
The quantum description of light offers a unique set of optical effects that has led to promising applications beyond those described by classical physics. Although well-defined quantum states of light do not persist in typical classical environments, phenomena such as entanglement often enhance optical approaches to communication, measurement, and sensing. With the emergence of new tasks in classical and quantum optical technology, new tools are required that must be specifically engineered including the generation of quantum states. This thesis is concerned with three principle tasks in engineering and implementing entangled photonic states. First, the use of frequency anti-correlated and polarization entangled two-photon states generated during spontaneous parametric down conversion (SPDC) to precisely evaluate optical delays with quantum interferometry is demonstrated in a realistic commercially available optical telecommunication device. Second, the study of correlated orbital angular momentum (OAM) states for efficient object identification is presented. Finally, experimental efforts towards the development of sources for entangled weak coherent states are discussed. The generation of broadband entangled states leading to well-defined second order interference patterns is a necessary step for the application of low coherence quantum interferometry as a metrological device. The flexibility of non-uniformly chirped periodically poled nonlinear crystals offers a rich set of tools for precise state engineering. The experimental evaluation of a broadband source of polarization entanglement is presented. In addition, design considerations for applications that require optimized quantum interference features are discussed along with a numerical investigation of the limits of quantum interferometry with even order dispersion cancellation. We present an experimental demonstration of correlated OAM sensing exploiting the two-dimensional and correlated nature of states produced during SPDC projected onto the OAM basis. Efficient object recognition through the identification of azimuthal symmetries of arbitrary objects is achieved by observing the full two-photon joint OAM spectrum and focusing on non-conserved OAM components not found in the natural OAM spectrum of SPDC. Finally, quantum key distribution (QKD) is currently the most successful quantum optical application; however, a limiting trade off between the achievable rates and distances confines the approach to niche applications. The generation of entangled coherent states has been proposed to transition QKD into a new regime that would set aside single photons and two-photon entangled states for higher intensity coherent pulses. The key technical limitation that has prohibited the demonstration of such states is a reliable source of single-photon cross phase modulation. The plausibility and experimental efforts towards creating such an environment in a solid state device is presented.
Tanto para el estudio de efectos cuánticos fundamentales, como para múltiples aplicaciones basadas en la teoría cuántica, es necesario generar estados entrelazados entre dos o más sistemas en distintos grados de libertad. En este trabajo, se lleva a cabo el estudio y ajuste de una fuente de fotones entrelazados en polarización; producidos mediante SPDC en un cristal no lineal ppKTP de tipo II con una longitud de 30mm, en una configuración experimental de tipo interferómetro de Sagnac. Este diseño permite generar el entrelazamiento entre los fotones debido a la indistinguibilidad de caminos recorridos. Se obtiene como resultado una fuente brillante de fotones al generar 8.2 × 104pares/(s · mW) en el estado de Bell con una visibilidad en la base D/A por encima del 98 % y en la base H/V por encima del 99 %. Con un parámetro de violación de la desigualdad CHSH S de 2.77. En el trabajo se describe como se realizó la optimización de la fuente, se detallan las técnicas de alineación para el correcto ajuste de la fuente. Por otra parte, con el fin de realizar una caracterización del estado entrelazado producido, se estudió un interferómetro tipo Franson para identificar estados de Bell compuesto por un PBS y un BS. Este diseño, permite la identificación de los cuatro estados de Bell al variar la longitud de un brazo del interferómetro e identificar la forma espectral de los pares de fotones incidentes.
Entanglement is one of the most peculiar features consequent upon quantum mechanics. It is at-tributed essentially to the nonlocal nature of quantum correlation between two or more particles. The strangeness of entanglement has been demonstrated by a number of paradoxes from the dawn of quantum mechanics: one example is that proposed by Einstein, Podolsky and Rosen [1], and its variety is famous Schrödinger’s cat. However, recent quantum technologies have reached an unprecedented stage at which we can directly manipulate and utilize the entanglement to go beyond the limit of clas-sical technologies. In fact, recent progress of quantum information and communication technologies relies on the use of entanglement [2]. As well, entanglement is applicable to ultra-high precise meas-urements, one prominent example of which is the quantum optical imaging and interferometry with ultra-high resolution that surpasses the classical diffraction limit [3]. In addition to exploring such novel applications, the methodology of generating entanglement is also indispensable to practical quantum technologies. In my talk, I will review the recent progress of such quantum technologies utilizing entanglement as well as its generation. In particular, I will focus on the recent experiments [4-7] of quantum optical interferometry with entangled photons that exhibit reduced de Broglie wave-length of photons [8]. I also mention the generation of entangled photons in a semiconductor that we
The use of light, especially of laser light, is in many cases the most sensitive way to perform measurements. However, the highest sensitivity that can be achieved with laser light as probe is bounded by the standard quantum limit (SQL). As many instruments are approaching this fundamental limit, it becomes crucial to explore ways to overcome the SQL. Quantum metrology offers the possibilities to increase the sensitivities of the most accurate measurements beyond the SQL by using photonic quantum states of light as a tool. Two well-known classes of quantum states that provide a metrological advantage and break the SQL are squeezed states and a certain class of entangled states, called NOON states. While it is of special interest to apply these quantum states to atomic systems, such as atomic vapors, this requires quantum states of the highest quality in terms of purity, fidelity, brightness, and indistinguishability. Most importantly, for the probing of atomic systems, the quantum states need to be extremely narrowband to match the atomic linewidths. As NOON states are usually generated in a broadband spontaneous parametric down-conversion (SPDC) process, they are not compatible with narrowband atomic resonances. The goal of this thesis was the generation of suitable narrowband entangled and squeezed quantum states of light and their application to atomic systems. To increase the rate of atom-resonant SPDC photons by orders of magnitude, we used a cavity-enhanced setup. Polarization-squeezed states and polarization-entangled NOON states were created. The spectral brightness of the generated NOON states is one of the highest of pairs of indistinguishable photons reported so far. The photon pairs were carefully characterized by full quantum state tomography showing high fidelities with a perfect NOON state. After filtering the photon source output by a novel filter based on the “interaction-free measurement” scheme, a cross-correlation measurement demonstrated its potential as a narrowband heralded single-photon source, needed for example in quantum information. To apply these states in a quantum metrology scheme and to show the metrological advantage, we chose an atomic magnetometer as a model system. The assembled shot-noise-limited magnetometer is based on the Faraday effect in a vapor of hot rubidium atoms. It could be demonstrated that both quantum states perform better in the magnetometer application than any classical state, i.e., they break the SQL. In the case of NOON states, this is the first use of multi-photon coherence in an atomic experiment. In addition to applications in quantum metrology, the presented techniques of quantum-light generation and filtering are also directly applicable to quantum information tasks, especially to the use in quantum memories. El uso de la luz, en particular la luz láser es, en muchos casos, el método que permite realizar mediciones de la manera más sensible. No obstante, la mayor sensibilidad que se puede conseguir gracias a la luz láser como sistema de sondeo queda delimitada por el límite cuántico estándar (SQL). Visto que muchos instrumentos se están acercando a este límite fundamental, es crucial explorar formas de superar el SQL. La metrología cuántica ofrece la posibilidad de incrementar la sensibilidad de las medidas más precisas más allá del SQL empleando los estados cuánticos de luz como herramienta. Dos categorías conocidas de estados cuánticos que brindan una ventaja metrológica y rompen con el SQL son los estados “comprimidos” y ciertas categorías de estados entrelazados llamados estados “NOON”. Aunque es de especial interés aplicar estos estados cuánticos a los sistemas atómicos, como a los vapores atómicos, se requieren estados cuánticos de óptima calidad en términos de pureza, fidelidad, luminosidad e identidad. Lo más importante para los sistemas atómicos de investigación es que los estados cuánticos sean de banda extremadamente estrecha para que coincidan con el ancho de banda de átomos. Puesto que los estados NOON suelen ser generados en un proceso de conversión espontánea paramétrica descendente (SPDC) de banda ancha, no son compatibles con las resonancias atómicas de banda estrecha. El objeto de esta tesis fue la generación de estados cuánticos de luz apropiados de banda estrecha, entrelazados y comprimidos, y su aplicación en los sistemas atómicos. Para incrementar el número de fotones generados por SPDC resonantes con la transición atómica por órdenes de magnitud, se empleó un sistema aumentado por un resonador. Se crearon estados de polarización comprimida y estados NOON de polarización entrelazada. La luminosidad espectral de los estados NOON generada supone una de las más altas que se hayan reportado hasta el momento entre pares de fotones idénticos. Los pares de fotones fueron cuidadosamente caracterizados por medio de una tomografía completa del estado cuántico que muestra la gran fidelidad con un estado NOON perfecto. Después de filtrar la producción de la fuente de fotones por medio de un novedoso filtro basado en el esquema “interaction-free measurement”, una medida de correlación cruzada demostró su potencial como fuente de fotones individuales anunciados de banda estrecha que resulta necesaria, por ejemplo, en la información cuántica. Para aplicar estos estados en un esquema de metrología cuántica y demostrar la ventaja metrológica, elegimos un magnetómetro atómico como sistema modelo. El montaje del magnetómetro delimitado por el límite cuántico estándar se basa en el efecto Faraday en un vapor de átomos de rubidio calientes. Se podía demostrar que el comportamiento de ambos estados cuánticos es superior en la aplicación con el magnetómetro que cualquier estado clásico, es decir, que superan el SQL. En el caso de los estados NOON, este es el primer uso de la coherencia multifotónica en un experimento atómico. Además de las aplicaciones en la metrología cuántica, las técnicas presentadas de generación de luz cuántica y filtración también son directamente aplicables a las tareas de información cuántica, en especial al uso en las memorias cuánticas.