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Path indistinguishability in photon pair emission

Armin Hochrainer

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Physik

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Physik)

Betreuer*in

Anton Zeilinger

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DOI

10.25365/thesis.64879

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-10312.80473.716682-6

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Der Zusammenhang zwischen Interferenz und der Verfügbarkeit von Pfadinformation ist ein Merkmal der Quantenmechanik, das Physiker seit mehr als einem Jahrhundert fasziniert. In den frühen neunziger Jahren wurde eine Reihe von Experimenten durchgeführt, die einen neuen Aspekt dieses Zusammenhangs aufzeigten. In diesen Experimenten wurde Quanteninterferenz in Situationen gezeigt, in welchen verschiedene Photonenpaarquellen ein oder beide Photonen in identische Strahlen emittierten. Im Gegensatz zu Quanteninterferenzexperimenten, in denen beide Photonen korreliert detektiert werden, kann die Interferenz in diesem Fall in der Intensität eines einzelnen Photonenstrahls beobachtet werden, obwohl Photonenpaare an dem Phänomen beteiligt sind. Dies erlaubt die Beobachtung von klassisch nicht erklärbaren Effekten mit einem einzelnen Detektor. Diese Beobachtung eröffnet die Möglichkeit, die Einzelphotoneninterferenz nur durch Manipulation eines anderen Photonenstrahls zu kontrollieren, welcher selbst nicht detektiert werden muss. In den letzten Jahren hat sich ein wachsendes Forschungsgebiet um diesen als "induced coherence without induced emission" bezeichneten Interferenzeffekt etabliert, nachdem Anwendungen für Bildgebung und Spektroskopie demonstriert wurden. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf grundlegende Aspekte des obigen Interferenzeffekts mit dem Ziel, unser Verständnis der Quantenkomplementarität in den daraus resultierenden ungewöhnlichen Situationen zu vertiefen. Nach einem kurzen Überblick über vergangene und aktuelle Forschung wenden wir uns experimentellen Beobachtungen des Phänomens der "induced coherence without induced emission" in einem Multimode-Szenario zu. Wir demonstrieren die Entstehung eines Interferenzsmusters in einem Strahl, indem wir einenm anderen Strahl kontrollieren, der nicht detektiert wird. Die Interfernzstreifen werden mit analogen Beobachtungen in klassischer Interferometrie verglichen und Unterschiede, insbesondere hinsichtlich ihrer Wellenlängenabhängigkeit, analysiert. Des weiteren wird ein Experiment vorgestellt, in dem nur eines von zwei Photonen eines Paares detektiert wird. Wir demonstrieren, dass das in einem einzelnen Photonenstrahl entstandene Interferenzmuster dazu verwendet werden kann, die Korrelationen zwischen beiden Photonen zu messen. Anschlie ßend wird gezeigt, dass es möglich ist, die Polarisation eines Lichtstrahls zu ändern, indem lediglich die in einem anderen Strahl verfügbare Pfadinformation geändert wird. Dieses Schema ermöglicht es, den Polarisationsgrad eines Lichtstrahls zu kontrollieren, ohne dessen Intensität zu beein ussen. Die Komplementarität in einer Situation, in der beide Photonen in identische Moden emittiert werden, wird in einem anderen Experiment untersucht. Wir führen ein Delayed- Choice-Experiment durch, das die Komplementarität zwischen Interferenz und Information über den Ursprung eines Photonenpaares illustriert. Die in diesem Experiment analysierten komplement ären Eigenschaften gehen über die häufig untersuchte Komplementarität zwischen Wellenund Teilchenverhalten hinaus. Sie erfordern eine Abstraktion des Interferenzkonzepts, welche den gesamten Photonenpaar-Emissionsprozess miteinbezieht. Schließlich wird ein Gedankenexperiment vorgestellt, in dem die Emission von Photonenpaaren aus drei nicht unterscheidbaren Quellen betrachtet wird. In diesem wird gezeigt, dass die Zuschreibung einer bestimmten Quelle als Ursprung eines Photonenpaares inkonsistent ist. Zum Abschluss werden einige offene Fragen diskutiert, die durch unsere Ergebnisse angeregt wurden.

Abstract

(Englisch)

The connection between interference and the availability of path information is a feature of quantum mechanics that intrigues physicists for more than a century. In the early 1990s, a series of experiments demonstrated a peculiar aspect of this connection. It was shown that quantum interference occurs when different photon pair sources emit one or both photons into identical beams. In contrast to most nonclassical phenomena involving light, the above effect can be observed directly in the intensity at a single detector without the need for coincidence detection. This fact leads to the possibility of controlling single photon interference by manipulating another photon beam that is not detected. In recent years, a growing field of research has evolved around this interference effect called \induced coherence without induced emission", after its applications in imaging and spectroscopy have been demonstrated. This thesis focuses on fundamental aspects, with the goal of obtaining a deeper understanding of quantum complementarity in the resulting unusual situations. After providing an overview of past and current research related to the subject, we turn to the experimental observation of the phenomenon of induced coherence without induced emission in a multimode scenario. We demonstrate the formation of spatial interference fringes in one beam by controlling another, undetected, beam. The fringes are compared to their classical analogs and differences are analyzed, in particular concerning their wavelength dependence. Subsequently, an experiment is presented, in which induced coherence is used to measure correlations between two photons by detecting only one of them. We further demonstrate that it is possible to change the polarization of one light beam by changing the available path information in another beam. This scheme allows to control the degree of polarization without affecting the intensity. We perform a delayed-choice experiment illustrating the complementarity in a situation in which both photons are emitted into identical modes. The duality analyzed in this experiment goes beyond the often studied complementarity between wave and particle behavior and requires an abstraction of the concept of interference involving the entire photon pair emission process. Finally, a gedankenexperiment is presented, which demonstrates an inconsistency that arises if one assigns a definite origin to a photon pair in an experiment involving three indistinguishable sources. We conclude by stating several open questions that were stimulated by our results.

Autor*innen

Armin Hochrainer

Haupttitel (Englisch)

Path indistinguishability in photon pair emission

Paralleltitel (Deutsch)

Pfad-Ununterscheidbarkeit in Photonenpaaremissionsprozessen

Publikationsjahr

2020

Umfangsangabe

132 Seiten : Illustrationen

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Zhe Yu Ou ,

Paulo Souto-Ribeiro

Klassifikation

33 Physik > 33.38 Quantenoptik, nichtlineare Optik

AC Nummer

AC16224657

Utheses ID

57567

Studienkennzahl

UA | 796 | 605 | 411 |

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Schlagwörter