Mastering Quantum Light Pulses with Nonlinear Waveguide Interactions
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Mastering quantum light pulses with nonlinear waveguide interactions Kontrolle über Quantenlichtpulse durch nichtlineare Interaktion in Wellenleitern Der Naturwissenschaftlichen Fakultät der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg zur Erlangung des Doktorgrades Dr. rer. nat. vorgelegt von Andreas Eckstein aus Altdorf b. Nürnberg Als Dissertation genehmigt von der Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Erlangen-Nürnberg Tag der mündlichen Prüfung: 1.3.2012 Vorsitzender der Promotionskommission: Prof. Dr. Rainer Fink Erstberichterstatterin: Prof. Dr. Christine Silberhorn Zweitberichterstatter: Prof. Dr. Uwe Morgner Contents 1 Introduction 1 1.1 The EPR paradox and entangled quantum states . .2 1.2 Nonlinear medium polarization and three-wave mixing . .3 1.2.1 Sum- and difference frequency generation . .4 1.2.2 Spontaneous parametric downconversion . .4 1.3 Quantum light pulses . .5 1.4 A quantum pulse source and a quantum pulse gate . .7 2 Basic concepts 9 2.1 Electromagnetic waves . .9 2.2 Electromagnetic field quantization . 10 2.3 Field quadratures and squeezed light . 11 2.4 Important classes of light states and their properties . 12 2.4.1 Coherent states of light . 12 2.4.2 Single mode squeezed vacuum states . 13 2.4.3 Two-mode squeezed vacuum states . 14 2.5 Ultrafast pulses . 14 2.5.1 Broadband mode operators . 15 2.5.2 Functional orthogonality interval . 16 2.5.3 Broadband modes in the temporal domain . 17 2.5.4 Pulse propagation and quantum mechanical phase . 17 2.6 Nonlinear optical interactions and three-wave-mixing . 18 2.6.1 Emergence of frequency- and phase-matching conditions . 19 2.6.2 SPDC in a channel waveguide with discrete spatial mode spectrum . 20 2.6.3 Time evolution of the SPDC output state . 22 2.6.4 Quasi-Phasematching . 23 2.6.5 Classical undepleted SPDC pump . 23 2.6.6 Broadband mode structure and Schmidt decomposition . 24 2.6.7 Effective mode number and spectral entanglement of a photon pair . 25 2.6.8 Multiple squeezer excitation . 26 2.7 Modeling photon detection with binary detectors . 27 2.7.1 Measurement operator . 27 2.7.2 Measuring the joint spectrum of a photon pair . 29 3 Spectral engineering 31 3.1 Pure heralded single photons and the two-mode squeezer . 32 3.2 The phasematching distribution Φ and group velocity matching . 33 3.3 Critical phasematching through backward-wave SPDC . 36 i 3.4 Type I SPDC . 37 3.5 Type II SPDC . 38 3.6 Survey of nonlinear waveguide materials for group velocity matching . 38 3.6.1 Lithium niobate . 40 3.6.2 Lithium tantalate . 41 3.6.3 Potassium niobate . 42 3.6.4 Potassium titanyl phosphate . 43 3.7 Conclusion . 43 4 A PP-KTP waveguide as parametric downconversion source 45 4.1 Single photon detectors . 46 4.2 The parametric downconversion source . 48 4.3 Phasematching contour . 52 4.4 Conclusion . 53 5 Fiber spectrometer 55 5.1 Functional principle . 55 5.2 Experimental setup for photon pair spectrum measurement . 57 5.3 Calibration . 58 5.4 Spectral resolution . 60 5.5 The joint spectral intensity of photon pairs from the KTP source . 62 5.6 Measurements beyond the perturbative limit h^ni 1 ................ 63 5.7 Conclusion . 67 6 Two-mode squeezed vacuum source 69 6.1 Mode-number and photon statistics of broadband squeezed vacuum states . 69 6.2 The second order correlation function g(2) ..................... 71 6.3 g(2) forbroadbandinputstates ............................ 72 6.4 g(2) for the ultrafast multimode squeezer . 73 6.5 g(2) measurement . 74 6.6 Background event suppression and correction . 75 6.7 Mean photon number . 77 6.8 Photon collection efficiency . 80 6.9 Conclusion . 80 7 Quantum pulse manipulation 83 7.1 Beam-splitters, spectral filters and broadband mode selective filters . 85 7.2 Broadband mode SFG . 87 7.3 Spectral engineering and the Quantum Pulse Gate . 88 7.4 Critical group velocity matching and QPG mode-switching . 89 7.5 Experimental feasibility . 93 7.6 The Quantum Pulse Shaper . 94 7.7 Time ordering and strongly coupled three-wave-mixing . 94 7.8 Conclusion ....................................... 98 8 Conclusion and outlook 99 ii Summary Ultrafast quantum light pulses with durations of 1 ps and below show great promise as information carriers in quantum communication and computation. In future they may also be used to probe physical processes at ultrashort timescales with a resolution beyond the limits of Heisenberg uncertainty. This thesis focuses on the creation and manipulation of quantum light pulses with second order nonlinear optical processes in optical waveguides. In chapter “1. Introduction”, we lead the reader towards this work’s topic by giving a brief qualitative overview over the EPR paradox, quantum entanglement, three-wave-mixing and quantum light pulses. Chapter “2. Basic concepts” familiarizes the reader with the physical concepts and mathematical tools underlying this thesis. In chapter “3. Spectral engineering”, we discuss the requirements to produce separable photon pair states with group velocity matching and examine several nonlinear materials widely used for optical waveguide inscription for their suitability to group velocity matching in the telecom wavelength regime. In chapter “4. A PP-KTP waveguide as parametric downconversion source”, we give the basic spontaneous parametric downconversion source setup, as well as some initial measurements to characterize the single photon detectors, to demonstrate the production of correlated photons, and to determine the phasematching properties of the PP-KTP source. In the following chapter, “5. Fiber spectrometer”, we present the single-photon fiber spectrometer[8]. We discuss the experimental setup and calibration of the device, and measure the joint spectrum of photon pairs from our PP-KTP source. Finally, we investigate the behavior of a joint spectrum measurement of a high mean photon number source with binary detectors. In “6. Two-mode squeezed vacuum source”, we characterize spectral correlations of an ultrafast SPDC source with the second order correlation function g(2) . We present the g(2) measurement results[42] and background substraction technique[43] and show that we can control the spectral correlations to produce a two-mode squeezed vacuum state of light. We then determine the mean photon number and gain of the source. “7. Quantum pulse gate”: While the previous chapters focus on the creation and characterization of ultrafast quantum pulses of light, we now propose a way to manipulate the mode structure of a given quantum light state. We discuss the concept of an active optical filter sensitive to spectral/temporal pulse shape: The quantum pulse gate[41], and its reverse process, the quantum pulse shaper[21]. In the final chapter “8. Conclusion and outlook”, we recapitulate the main results of this thesis and provide a few pointers towards possibilities for future research building on it. v Zusammenfassung Ultrakurze Quantenlichtpulse mit einer Pulsdauer von 1 ps und darunter sind vielversprechende Kandidaten als Informationsträger in der Quantenkommunikation und im Quantencomputing. In Zukunft könnten sie auch dazu genutzt werden, physikalische Prozesse auf ultrakurzen Zeitskalen jenseits der Grenzen der Heisenberg-Unschärfe zu untersuchen. Diese Dissertation konzentriert sich auf die Erzeugung und Manipulation von Quantenlichtpulsen durch nichtlineare optische Prozesse zweiter Ordnung in optischen Wellenleitern. In Kaptitel “1. Introduction” führen wir den Leser an das Thema der Arbeit heran, indem wir einen kurzen, qualitativen Überblick über das EPR-Paradoxon, Quantenverschränkung, Dreiwel- lenmischung und Quantenlichtpulse geben. Kapitel “2. Basic concepts” macht den Leser mit den physikalischen Konzepten und mathemati- schen Werkzeugen vertraut, die dieser Arbeit zugrunde liegen. In Kaptitel “3. Spectral engineering” diskutieren wir die Voraussetzungen, um separable Pho- tonenpaarzustände durch Gruppengeschwindigkeitsanpassung zu produzieren und wir untersu- chen einige nichtlineare Materialien, die häufig zur Produktion optischer Wellenleiter verwendet werden, auf ihre Eignung für die Gruppengeschwindigkeitsanpassung im Bereich der Telekommu- nikationswellenlängen. In Kaptitel “4. A PP-KTP waveguide as parametric downconversion source” zeigen wir den grundlegenden Aufbau unserer parametrischen Fluoreszenz-Quelle im PP-KTP Wellenleiter auf, sowie einige vorbereitende Messungen, die die Einzelphoton-Detektorn charakterisieren, die Erzeugung korrelierter Photonen demonstrieren und die Phasenanpassungs-Eigenschaften der PP-KTP-Quelle bestimmen. Im anschließenden Kapitel “5. Fiber spectrometer” präsentieren wir das Einzelphotonen- Faserspektrometer[8]. Wir erörtern den experimentellen Aufbau und die Kalibration des Geräts und messen das Koinzidenz-Spektrum von Photonenpaaren aus unserer PP-KTP Quelle. Zuletzt untersuchen wir das Verhalten einer Messsung eines Koinzidenz-Spektrums einer Photonenpaar- Quelle mit hoher mittlerer Photonenzahl mit binären Detektoren. In “6. Two-mode squeezed vacuum source” charakterisieren wir die spektralen Korrelationen einer ultraschnell gepumpten SPDC-Quelle durch die Korrelationsfunktion zweiter Ordnung g(2) . Wir präsentieren die Ergebnisse der g(2) -Messung[42] und der Untergrund-Subtraktion[43] und zeigen, dass wir durch Kontrolle der spektralen Korrelationen einen zweimodigen gequetschten Vakuumszustand erzeugen können. Dann bestimmen wir die mittlere Photonenzahl und die Konversionseffizienz unserer Quelle. “7. Quantum pulse gate”: Während sich die vorangehenden Kapitel mit der Erzeugung