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Entanglement, interference, and manipulation of systems in high dimensions
Jaroslav Kysela
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (DissG: Physik)
Betreuer*in
Anton Zeilinger
DOI
10.25365/thesis.74244
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-23478.44411.919526-0
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Im Gegensatz zum bekannten Spin-Drehimpuls des Lichts, der sich als spezifische Polarisation eines Lichtstrahls manifestiert, blieb sein Komplement, der Bahndrehimpuls (OAM), jahrzehntelang weitgehend unbeachtet, und erst in den frühen 90er Jahren begann man, seine vielen interessanten Eigenschaften eigenständig zu untersuchen. Seitdem wird der OAM des Lichts genutzt, um kolloidale Teilchen zu drehen, die Winkelgeschwindigkeit rotierender Objekte zu messen und Informationen über klassische und Quantenkommunikationskanäle zu senden, um nur einige Beispiele zu nennen. Angetrieben von der Neugier auf die grundlegenden Fragen und die Anwendungen ist das Verständnis der räumlichen Struktur von Lichtstrahlen und damit auch des OAM heute viel tiefer als je zuvor. Neben anderen bemerkenswerten Anwendungsgebieten ist sicherlich ein sehr interessantes die Verwendung des OAM von Lichtteilchen, von so genannten Photonen, für die Verarbeitung und Übertragung von Informationen. Dies ist der Schwerpunkt des vorliegenden Textes. In dieser Arbeit werden zwei Hauptthemen behandelt. Das erste ist die Manipulation von Quantenzuständen eines einzelnen Photons mit Schwerpunkt auf dem OAM-Freiheitsgrad. Das zweite Thema ist die effiziente und modulare Erzeugung von Verschränkung in OAM. Ersteres wird theoretisch behandelt, während für letzteres ein Experiment erläutert wird, das die Machbarkeit einer speziellen Methode der Verschränkungserzeugung, der Verschränkung durch Pfadidentität, demonstriert. Da der Bahndrehimpuls eine nicht so bekannte physikalische Größe ist, wird er im ersten Teil der Arbeit kurz beschrieben, wobei der Fokus auf einige der wichtigsten Eigenschaften gelegt wird, die für die Diskussion im restlichen Text relevant sind. Im zweiten Teil der Arbeit wird der OAM eines einzelnen Photons verwendet, um einen elementaren Quanteninformationsträger, ein Qudit, darzustellen, und es werden verschiedene Techniken analysiert, die es uns erlauben, verschiedene Klassen von unitären Transformationen darauf anzuwenden. Vor allem werden mehrere universelle Schemata für die Implementierung allgemeiner unitären Transformationen, die auf OAM wirken, diskutiert. Eine spezielle interferometrische Methode, der so genannte pfadunterstützte Ansatz, wird ausführlich beschrieben und durch einige explizite Beispiele veranschaulicht. Außerdem wird ein Implementierungsschema der Fourier-Transformation von OAM einzelner Photonen vorgestellt, das nur konventionelle optische Elemente verwendet und dessen Skalierung erheblich besser ist als die seines Gegenstücks, das den Pfadfreiheitsgrad verwendet. Im dritten Teil der Arbeit wird ein Proof-of-Principle-Experiment diskutiert, das auf Verschränkung durch Pfadidentität beruht. Es werden Paare von Photonen erzeugt, deren Quantenzustand ein dreidimensionaler verschränkter Zustand in OAM ist. Wir zeigen, dass das Konzept der Verschränkung durch Pfadidentität machbar ist und einige Vorteile gegenüber alternativen Techniken bietet. Unter anderem zeigen wir, dass sowohl die lokalen Phasen als auch die lokalen Beträge der Koeffizienten im verschränkten Zustand beliebig eingestellt werden können. Dies ermöglicht es uns, eine große Klasse von Zuständen zu erzeugen, die durch die Geometrie des Aufbaus und nicht durch intrinsische physikalische Beschränkungen wie die Energieerhaltung bei nichtlinearen Prozessen begrenzt ist. Die Arbeit endet mit abschließenden Bemerkungen zu den Zukunftsaussichten der Manipulation und Verschränkungserzeugung in OAM.
Abstract
(Englisch)
Unlike the well-known spin angular momentum of light, manifested as a specific polarization of a light beam, its complement known as orbital angular momentum (OAM) stayed mostly unnoticed for decades and it was not until the early 90s that its many interesting properties began to be studied in its own right. Since then the OAM of light has been used to spin colloidal particles, measure the angular velocity of rotating objects, and to send information via classical as well as quantum communication channels, to name a few. Driven by curiosity in both the fundamental questions and the applications, the understanding of the spatial structure of light beams and thus also OAM is nowadays much deeper than ever before. Apart from other notable application areas, certainly a very interesting one is the use of OAM of particles of light, photons, for the processing and transmission of information. This is the focus of the present text. This thesis discusses two major topics. The first one is the manipulation of the quantum state of a single photon with an emphasis on the OAM degree of freedom. The second topic is the efficient and modular generation of entanglement in OAM. The former is addressed theoretically, whereas for the latter an experiment is reported that demonstrates the feasibility of a specific method of entanglement generation called entanglement by path identity. As orbital angular momentum is not a so well-known physical quantity, it is briefly introduced in the first part of the thesis, where some of the most important properties are mentioned that are relevant in the rest of the text. In the second part of the thesis, the OAM of a single photon is used to represent an elementary quantum carrier of information, a qudit, and different techniques are analyzed that allow one to apply various classes of unitary transformations to it. Most importantly, several universal schemes for the implementation of general unitaries acting on OAM are discussed. A specific interferometric method called the path-assisted approach is described in detail and exemplified by high-dimensional Pauli operators. Apart from that, an implementation scheme of the Fourier transform of OAM of single photons is presented that uses only conventional optical elements and whose scaling is considerably better than the scaling of its counterpart that employs the path degree of freedom. The third part of the thesis discusses a proof-of-principle experiment based on entanglement by path identity. Pairs of photons are generated whose quantum state is a three-dimensional entangled state in OAM. We demonstrate that the concept of entanglement by path identity is feasible and offers some advantages over alternative techniques. Among other things, we show that the local phases as well as local magnitudes of coefficients in the entangled state can be set at will. This allows one to produce a large class of states, which class is limited by the setup's geometry rather than intrinsic physical constraints such as energy conservation in non-linear processes. The thesis ends with concluding remarks about future prospects of manipulation and entanglement generation in OAM.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Bahndrehimpuls Quantenphysik Quantenverschränkung Quantenrechnen
Schlagwörter
(Englisch)
orbital angular momentum quantum physics quantum entanglement quantum computation
Autor*innen
Jaroslav Kysela
Haupttitel (Englisch)
Entanglement, interference, and manipulation of systems in high dimensions
Paralleltitel (Deutsch)
Verschränkung, Interferenz und Manipulation von Systemen in hohen Dimensionen
Publikationsjahr
2023
Umfangsangabe
viii, 96 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Sonja Franke-Arnold ,
Gabriel Molina-Terriza
Klassifikationen
33 Physik > 33.23 Quantenphysik ,
33 Physik > 33.38 Quantenoptik. nichtlineare Optik
AC Nummer
AC16937477
Utheses ID
65875
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |