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Erzeugung und Charakterisierung von Einzelphotonen aus PDC in PPKTP für Anwendungen in der Quanteninformation

Euler, Sabine (2017):
Erzeugung und Charakterisierung von Einzelphotonen aus PDC in PPKTP für Anwendungen in der Quanteninformation.
Darmstadt, Technische Universität, [Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/7183],
[Ph.D. Thesis]

Abstract

Über Jahrhunderte hinweg teilte die Frage nach der Natur des Lichts die Wissenschaftler in zwei Lager. Zum einen in Vertreter der Teilchenhypothese, zum anderen jedoch spätestens nach der Veröffentlichung der Maxwell-Gleichungen und dem Nachweis elektromagneti- scher Wellen durch Heinrich Hertz in Anhänger der Wellentheorie von Licht. Erst mit der Entwicklung der Quantenmechanik zu Beginn des 20. Jahrhunderts erwiesen sich beide Theorien als gleichberechtigt. Bereits 1905 von Einstein postuliert, gelang der Nachweis einzelner Photonen, wie die Lichtteilchen mittlerweile genannt wurden, erst im Jahr 1977 durch Kimble et al., Experimente zur Wellennatur von Einzelphotonen erfolgten 1986 durch Grangier et al.. Seit den 1970er Jahren erfolgt die Präparation von Einzelphotonen nach immer neuen ex- perimentellen Ansätzen, die Entwicklung der Quanteninformation in den 1980er Jahren er- öffnet über die Untersuchung spannender quantenmechanischer Zusammenhänge hinaus ein praktisches Anwendungsfeld für Einzelphotonenquellen. Im Zentrum der vorliegenden Arbeit stand die Erzeugung von entarteten Einzelphotonenpaaren um 808 nm durch den nichtlinearen Prozess der parametrischen Abwärtskonversion vom Typ II in periodisch gepoltem Kaliumtitanylphosphat als nichtlinearem Medium. Die Emissionsspektren verschiedener Kristalle werden untersucht und Besonderheiten diskutiert, Details über das entartete Emissionsspektrum werden den Zweiphotoneninterferenzspektren aus Aufbauten nach Hong, Ou und Mandel bzw. Shih und Alley entnommen. Zugleich wird ein mathematisches Modell vorgestellt, das die exakte Beschreibung der Zweiphotoneninterferenzspektren ungefilterter Typ II-PDC-Photonen erlaubt. Die Emissionsspektren der einzelnen Photonen werden außerdem mit Hilfe von Autokorrelationsexperimenten untersucht, eine erfolgreiche Verletzung der Bellschen Ungleichung bestätigt die Möglichkeit der Präparation polarisationsverschränkter Zustände. Mit PDC in PPKTP steht damit eine zuverlässige und vielseitige Quelle für Einzelphotonen um 808 nm zur Verfügung. Neben der Erzeugung von Einzelphotonenpaaren durch PDC und ihrer Charakterisierung durch verschiedene Interferenzexperimente wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit außerdem zwei Anwendungsansätze verfolgt: Durch Differenzfrequenzerzeugung zwischen einem Einzelphoton und einem klassischen Pumpfeld sollte eine Zweiphotonenquelle implementiert werden, deren grundsätzliche Idee hier skizziert wird. Ein zweites Anwendungsfeld stellt die oben bereits angesprochene Quanteninformationsverarbeitung dar, die beschriebene Einzelphotonenquelle wird verwendet, um ein Sende-Modul für den Quantenschlüsselaustausch nach dem BB84-Protokoll zu implementieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Aufbau entwickelt, der auf die Verwendung aktiver optischer Elemente zur Zustandspräparation verzichtet und das Zentrum einer Schlüsselaustauschstrecke nach BB84 bildet.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2017
Creators: Euler, Sabine
Title: Erzeugung und Charakterisierung von Einzelphotonen aus PDC in PPKTP für Anwendungen in der Quanteninformation
Language: German
Abstract:

Über Jahrhunderte hinweg teilte die Frage nach der Natur des Lichts die Wissenschaftler in zwei Lager. Zum einen in Vertreter der Teilchenhypothese, zum anderen jedoch spätestens nach der Veröffentlichung der Maxwell-Gleichungen und dem Nachweis elektromagneti- scher Wellen durch Heinrich Hertz in Anhänger der Wellentheorie von Licht. Erst mit der Entwicklung der Quantenmechanik zu Beginn des 20. Jahrhunderts erwiesen sich beide Theorien als gleichberechtigt. Bereits 1905 von Einstein postuliert, gelang der Nachweis einzelner Photonen, wie die Lichtteilchen mittlerweile genannt wurden, erst im Jahr 1977 durch Kimble et al., Experimente zur Wellennatur von Einzelphotonen erfolgten 1986 durch Grangier et al.. Seit den 1970er Jahren erfolgt die Präparation von Einzelphotonen nach immer neuen ex- perimentellen Ansätzen, die Entwicklung der Quanteninformation in den 1980er Jahren er- öffnet über die Untersuchung spannender quantenmechanischer Zusammenhänge hinaus ein praktisches Anwendungsfeld für Einzelphotonenquellen. Im Zentrum der vorliegenden Arbeit stand die Erzeugung von entarteten Einzelphotonenpaaren um 808 nm durch den nichtlinearen Prozess der parametrischen Abwärtskonversion vom Typ II in periodisch gepoltem Kaliumtitanylphosphat als nichtlinearem Medium. Die Emissionsspektren verschiedener Kristalle werden untersucht und Besonderheiten diskutiert, Details über das entartete Emissionsspektrum werden den Zweiphotoneninterferenzspektren aus Aufbauten nach Hong, Ou und Mandel bzw. Shih und Alley entnommen. Zugleich wird ein mathematisches Modell vorgestellt, das die exakte Beschreibung der Zweiphotoneninterferenzspektren ungefilterter Typ II-PDC-Photonen erlaubt. Die Emissionsspektren der einzelnen Photonen werden außerdem mit Hilfe von Autokorrelationsexperimenten untersucht, eine erfolgreiche Verletzung der Bellschen Ungleichung bestätigt die Möglichkeit der Präparation polarisationsverschränkter Zustände. Mit PDC in PPKTP steht damit eine zuverlässige und vielseitige Quelle für Einzelphotonen um 808 nm zur Verfügung. Neben der Erzeugung von Einzelphotonenpaaren durch PDC und ihrer Charakterisierung durch verschiedene Interferenzexperimente wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit außerdem zwei Anwendungsansätze verfolgt: Durch Differenzfrequenzerzeugung zwischen einem Einzelphoton und einem klassischen Pumpfeld sollte eine Zweiphotonenquelle implementiert werden, deren grundsätzliche Idee hier skizziert wird. Ein zweites Anwendungsfeld stellt die oben bereits angesprochene Quanteninformationsverarbeitung dar, die beschriebene Einzelphotonenquelle wird verwendet, um ein Sende-Modul für den Quantenschlüsselaustausch nach dem BB84-Protokoll zu implementieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Aufbau entwickelt, der auf die Verwendung aktiver optischer Elemente zur Zustandspräparation verzichtet und das Zentrum einer Schlüsselaustauschstrecke nach BB84 bildet.

Place of Publication: Darmstadt
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Applied Physics > Laser und Quantenoptik
05 Department of Physics > Institute of Applied Physics
05 Department of Physics
Date Deposited: 04 Feb 2018 20:55
Official URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/7183
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-71838
Referees: Walther, Prof. Dr. Thomas and Birkl, Prof. Dr. Gerhard
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 1 November 2017
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
For centuries the question of the nature of light has divided scientists in two groups. The supporters of the particle theory and, latest since the announcement of Maxwell’s equations and Hertz’ experimental proof of the existence of electro-magnetical waves, followers of the wave theory. Only since the development of quantum mechanics at the beginning of the 20. Century both theories coexist equally. The existence of the photon, postulated as early as 1905 by Einstein, was only proven in 1977 when Kimble et al. succesfully performed a single photon Hanbury Brown-Twiss experiment. The wave behavior of single photons was shown in 1986 by Grangier et al.. Since the 1970s the preparation of single photons follows many new and different approaches. With the announcement of quantum key distribution protocols in the 1980s a new application of single photon sources arose besides the investigation of the principles of quantum mechanics. This thesis focuses on the generation of degenerate single photon pairs at 808 nm from the nonlinear process of type II parametric down conversion in periodically poled potassium titanyl phosphate as a nonlinear medium. Emission spectra of different KTP chips are analyzed and their characteristics discussed. Two photon interference experiments after Hong, Ou and Mandel and Shih and Alley are set up to gain knowledge about the details concerning the spectra of degenerate PDC from the interference patterns. In addition, a mathematical model is presented that allows to describe the spectra of two photon interference of unfiltered type II PDC photon pairs. We studied the autocorrelation spectra of single PDC photons and proved the ability to prepare polarization entangled single photon pairs by violating Bell’s inequality. Therefore, PDC in PPKTP serves as a reliable and versatile source for single photons at 808 nm. Besides preparing single photons from PDC and characterizing them in different interference experiments, we pursued two application approaches. Difference frequency generation between a single photon and a classical pump field should lead to a two photon source, the basic idea of this approach is presented in this thesis. A second application lies in the field of quantum key distribution as mentioned above. Our single photon source is used to set up a sender module for quantum key distribution according to BB84. Within this thesis we developed an implementation that allows the preparation of single photons in all four different states of polarization only by the use of passive optical components. This sender unit builds the center of our key distribution setup.English
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