Generation and distillation of nonclassical polarization states of intense light [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Rui-Fang Dong

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• Physik

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• Publié par: friedrich-alexander-universitat_erlangen-nurnberg
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 19
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 8 Mo

Extrait

GenerationandDistillationof
NonclassicalPolarizationStates
ofIntenseLight
DenNaturwissenschaftlichenFakultat¨
derFriedrich-Alexander-Universitat¨ Erlangen-Nu¨rnberg
zur
ErlangungdesDoktorgrades
vorgelegtvon
Rui-FangDong
ausShanxi,Chinaii
AlsDissertationgenehmigtvondenNaturwissen-
schaftlichenFakultat¨ enderUniversitat¨ Erlangen-Nu¨rnberg
Tagdermun¨ dlichenPruf¨ ung: 09. June2009
Vorsitzenderder
Promotionskommission: Prof.Dr.EberhardBa¨nsch
Erstberichterstatter: Prof.Dr.GerdLeuchs
Zweitberichterstatter: Prof.Dr.PauloNussenzveigZusammenfassung
Erzeugung und Destillation nichtklassischer Polarisationszusta¨nde hellen Lichts
Diese Arbeit pra¨sentiert die experimentelle Erzeugung und Charakterisierung der
polarisations-gequetschtenundpolarisations-verschra¨nktenkontinuierlichenVariablen
von Licht in optischen Fasern und untersucht die Quanten-Destillationsprotokolle fur¨
dieVerteilungdieserQuantenzusta¨nde.
Schickt man sehr kurze Pulse in einen einfachen Durchgang duch eine Faser kann
polarisations-gequetschtes Licht mit hoher Effizienz erzeugt werden. In dieser Arbeit
werden neue Ergebnisse von polarisations-gequetschten Licht basierend auf einen op-
timierten Single-Pass-System vorgestellt. Wir messen nach unserem Wissen eine Reko-
rdwert von −6.8± 0.3 dB gequetschten Lichts in optischen Fasern. Beruc¨ ktsichtigt
man alle linearen Verluste, so erha¨lt man sogar einen Wert von −10.4±0.8 dB. Die
gemessenen Polarisationsquetschung wurde fur¨ eine große Anzahl von verschiedenen
Pulssenergien untersucht. Darub¨ er hinaus wurden grundlegende Quantenpropaga-
¨tionssimulationen entwickelt, welche sehr gute Ubereinstimmungen mit den experi-
mentellgemessenErgebnissenzeigen. Eswurdefestgestellt,dassPhasenrauschen,z.B.
erzeugt durch sogenanntes Guided Acoustic Wave Brillouin Scattering (GAWBS) die
QuetschungbeiniedrigenPulsenergienlimitiert,wa¨hrendRaman-Streueffektezueiner
erheblichenVerschlechterungderQuetschungbeiho¨herenPulsenergienundgro¨sseren
Faserla¨ngenfuh¨ rt.
In dieser Arbeit wird die effiziente Erzeugung von stark verschra¨nkten
polarisations-gequetschten Licht demonstriert. Die Polarisations-verschra¨nkung wird
durch Interferenz zweier unabha¨ngiger polarisations-gequetschten Lichtstrahlen auf
einen symmetrischen Strahlteiler erzeugt. Die daraus resultierenden Lichtstrahlen
weisen starke Quantenkorrelationen auf. Die Abha¨ngigkeit der gemessenen Korrela-
tionen vom Teilungsverha¨ltniss des Strahlteilers und andere Ma¨ngel im Versuchsauf-
bau(z.B.schlechteInterferenz,Stabilita¨tsprobleme,unerwartetenichtlineareEffekteim
Detektionssystem) werden theoretisch und experimentell untersucht. Darub¨ er hinaus
werden triplet a¨hnliche Korrelationen von verschra¨nkten Zusta¨nden der kontinuier-
licherVariablenvonLichtdiskutiertundexperimentellnachgewiesen.
Aufgrund unkontrollbarer und unvermeidlicher Verluste sowie Dekoha¨renz in
einem echten optischen Kanal wird die Qualita¨t der ub¨ ertragenen gequetschten bzw.
verscha¨nkten Zusta¨nde verringert. Die Destillation von nichtklassischen Zusta¨nden,
durch die Abzweigung eines kleinen Teils von stark gequetschten oder verschra¨nk-
ten Zusta¨nde aus einem Ensemble von weniger gequetschten oder verschra¨nkten
Zusta¨nde, ist daher von besonderem Interesse in Quanten-Kommunikationssystemen.
In dieser Arbeit wird ein neues Quanten-Informationsprotokoll vorgeschlagen und ex-
perimentell nachgewiesen, welches nichtklassische Quantenzusta¨nde, die von nicht-
Gaußschem Rauschen gesto¨rt wurden, mit Hilfe optischer Komponenten und globaler
klassischerKommunikation(LOCC)destilliert.Summary
Generation and Distillation of Nonclassical Polarization States of Intense Light
This thesis demonstrates the experimental generation and characterization of con-
tinuousvariable(CV)polarizationsqueezedandpolarizationentangledlightinoptical
fibers, and investigates the quantum distillation protocols for the distribution of these
quantumstates.
Using ultrashort pulses of light in a single pass fiber setup, polarization squeezing
can be efficiently generated. In this thesis, new results of polarization squeezing based
on an optimized single-pass scheme are presented. We measure what is to our knowl-
edgearecordsqueezingof−6.8±0.3dBinopticalfiberswhichwhencorrectedforlin-
ear losses is−10.4±0.8 dB. The measured polarization squeezing is investigated over
awiderangeofinputenergies. Furthermore,simulationsbasedonfirst-principlequan-
tum dynamics and phase-space methods are implemented with very good agreement
between the experiments and the quantum simulations. It is found that excess phase
noise, such as from depolarizing guided acoustic wave Brillouin scattering (GAWBS),
affectssqueezingatlowinputenergies,whileRamaneffectscauseaconsiderabledete-
riorationofsqueezingathigherenergiesandlongerfiberlengths.
Inthisthesis,theefficientcreationofhighlyentangledbipartitecontinuousvariable
polarizationstatesisdemonstrated. Polarizationentanglementisgeneratedbyinterfer-
ing two independent polarization squeezed beams on a symmetric beam splitter. The
resultant beams exhibit strong quantum noise correlations. The dependence of mea-
sured correlation on the beam splitting ratio of the entangling beam splitter as well as
otherimperfectionsintheexperimentalsetup(e.g. interferencevisibility< 1,inevitable
phase locking instability, unexpected nonlinear response in the detection system) are
studiedandexperimentallyinvestigated. Furthermore,triplet-likecorrelationproperty
attributedtoCVentangledstatesisdiscussedandexperimentallydemonstrated.
Owing to the uncontrolled and unavoidable losses and decoherence in any real op-
ticalchannel,thetransmittedsqueezingorentanglementwillbedegraded. Distillation
of nonclassical states, which extracts out a small set of highly squeezed or entangled
states from an ensemble of less squeezed or entangled states, is therefore desirable in
quantumcommunicationsystems. Inthisthesisanewdistillationprotocol,whichdeals
with nonclassical quantum states that are afflicted by physical non–Gaussian noise in
a real channel by using linear optical components and global classical communication
(LOCC), is proposed. Moreover, with the above created highly efficient polarization
squeezed and polarization entangled states as the resources, the successful distillation
of squeezing and entanglement are experimentally demonstrated at a cost of certain
successprobability.Contents
1 Introduction 1
2 Characterizationofthequantumpropertiesoflight 5
2.1 Quantizationoftheelectromagneticlightfield . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 TheHeisenberguncertaintyrelation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Quantumquadraturecharacterizationoflight . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.1 Quadraturedefinitionofsomebasicquantumstates . . . . . . . . . 8
2.2.2 TheWignerfunctionrepresentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.3 ThebeamsplitterinGaussiantransformationsandmeasurement . 13
2.2.4 Quadratureentanglementanditscharacterization . . . . . . . . . . 17
2.2.5 Similarityoftwo-modeCVentangledstatesandtwo-qubittriplet
Bellstates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3 Quantumpolarizationcharacterizationoflight . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.1 TheStokesoperatorsandpolarizationsqueezing . . . . . . . . . . 30
2.3.2 Polarizationmeasurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.3 Polarizationentanglementanditscharacterization . . . . . . . . . 35
3 Generationandcharacterizationofpolarizationsqueezinginopticalfibers 41
3.1 Semi-classicalcharacterizationoflightpropagationinopticalfibers . . . . 42
3.1.1 Lineareffects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.1.2 OpticalKerreffect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.1.3 Scatteringeffects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.1.4 Opticalsolitonspropagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2 Quantumpropagationmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.2.1 Multimodedescription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.2.2 QuantumnonlinearSchro¨dingerEquation . . . . . . . . . . . . . . 54vi Contents
3.2.3 Phase-spacerepresentationmethodsforsimulation . . . . . . . . . 56
3.3 Experimentalsetup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.4 Experimentalresultsandsimulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.4.1 Phase-noiseandGAWBS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.4.2 Third-orderDispersioneffectinthesimulation . . . . . . . . . . . . 68
3.4.3 Ramaninducedsolitonfrequencyshift . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.5 Conclusionandoutlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4 Generationandcharacterizationofpolarizationentanglement 73
4.1 Preliminaryexperimentaldemonstrationofpolarizationentanglement . . 73
4.1.1 Polarizationentanglementvsasymmetryofbeamsplitter . . . . . 73
4.1.2 Experimentalsetupandresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.1.3 Briefsummary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82<