Quantum Interference in Transverse Spatial Modes of Photons
Hiekkamäki, Markus (2023)
Hiekkamäki, Markus
Tampere University
2023
Tekniikan ja luonnontieteiden tohtoriohjelma - Doctoral Programme in Engineering and Natural Sciences
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Väitöspäivä
2023-09-01
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-3013-2
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-3013-2
Tiivistelmä
Valon interferenssiä esiintyy joka puolella nykyisessä tekniikassamme sekä optisissa kokeissa. Tämän takia voisi olettaa, että tämän interferenssin kvanttimekaanisesta vastineesta voisi tulla yhtä tärkeä ilmiö tulevaisuuden teknologioissa. Ensimmäiset merkit kvantti-interferenssin hyödöllisyydestä näkyy useissa ehdotetuissa kvanttiteknologisissa ratkaisuissa, jotka hyödyntävät tällaisia interferenssejä. Vaikka valon kvantti-interferenssiä on tutkittu kattavasti, sitä ei ole juurikaan tutkittu sen poikittaisrakenteita hyödyntäen. Tämä olisi mielenkiintoinen konteksti kvantti-interferenssin tutkimiselle, strukturoitujen poikittaisrakenteiden hyödyllisten ominaisuuksien takia.
Tässä väitöskirjassa määritellään ensin teoreettinen pohja, jonka avulla paraksiaalisten valonsäteiden kvanttitiloja voidaan laskea ja mallintaa. Kirjassa käydään myös yksityiskohtaisesti läpi, kuinka vaihetta moduloivilla valon poikittaisrakenteen modulaattoreilla voi muovata ja mitata fotonien poikittaisrakenteita. Tämä sisältää metodeja, joissa käytetään vain yhtä poikittaisen vaiherakenteen modulointia sekä menetelmiä, jotka hyödyntävät montaa perättäistä vaihemodulointia. Kirjassa esiteltävissä kokeellisissa tutkimuksissa käytetään edellä mainittua teoriaa ja kokeellisia menetelmiä paraksiaalisen valon kvanttitilojen manipuloimiseen. Kvanttitiloja hyödynnetään tämän jälkeen eri applikaatioissa.
Kirjan ensimmäisessä kokeellisessa osiossa mitattiin kahden fotonin interferenssi valon poikittaisrakenteissa. Tämä tehtiin ensin laitteella, jolla voidaan rakentaa mielivaltaisia unitaarisia transformaatioita. Laitteella implementoitiin transformaatio poikittaisrakenteissa, joka vastaa säteenjakajan tekemää transformaatiota. Täten koe vastaa täysin kuuluisaa Hong-Ou-Mandel interferenssikoetta paitsi, että tällä kertaa interferenssi tapahtuu valon poikittaisrakenteessa eikä valon säteen kulkusuunnissa. Koe toistettiin seuraavaksi yksinkertaistetussa koejärjestelyssä. Tässä kokeessa näytettiin, että samanlainen interferenssi saadaan aikaiseksi poistamalla unitaaritransformaatiolaite. Tällä helpommalla koejärjestelyllä kyettiin tuottamaan laadukkaita kahden fotonin N00N tiloja yksittäisessä valonsäteessä.
Kirjan toisessa kokeessa hyödynnettiin näitä valon N00N tiloja erinäisissä metrologisissa applikaatioissa. Ennen mittauksia, valon hyödyllisimmät kvanttitilat identifioitiin Fisher-informaation avulla. N00N tiloja käytettiin tämän jälkeen kvantti-ilmiöitä hyödyntävissä pyörähdyksen ja pitkittäissiirtymän mittauksissa.
Kirjan viimeisessä osiossa mitattiin monen fotonin tilan Gouy-vaihetta näillä samoilla N00N tiloilla. Koska valon Gouy-vaihetta ei ole ennen mitattu tällaisessa kontekstissa, mittaustulokset tuovat uutta näkökulmaa fotonien käyt- täytymiseen. Nämä mittaukset esimerkiksi paljastivat, että aiemmissa tutkimuksissa hyödynnetty monen fotonin de Broglie aallonpituus ei kuvaa täysin monen fotonin tilojen ominaisuuksia. Tämän lisäksi tuloksista huomattiin, kuinka eräs tulkinta klassisen Gouy-vaiheen alkuperästä pystyy myös ennustamaan monen fotonin Gouy-vaiheen käyttäytymisen.
Tässä väitöskirjassa määritellään ensin teoreettinen pohja, jonka avulla paraksiaalisten valonsäteiden kvanttitiloja voidaan laskea ja mallintaa. Kirjassa käydään myös yksityiskohtaisesti läpi, kuinka vaihetta moduloivilla valon poikittaisrakenteen modulaattoreilla voi muovata ja mitata fotonien poikittaisrakenteita. Tämä sisältää metodeja, joissa käytetään vain yhtä poikittaisen vaiherakenteen modulointia sekä menetelmiä, jotka hyödyntävät montaa perättäistä vaihemodulointia. Kirjassa esiteltävissä kokeellisissa tutkimuksissa käytetään edellä mainittua teoriaa ja kokeellisia menetelmiä paraksiaalisen valon kvanttitilojen manipuloimiseen. Kvanttitiloja hyödynnetään tämän jälkeen eri applikaatioissa.
Kirjan ensimmäisessä kokeellisessa osiossa mitattiin kahden fotonin interferenssi valon poikittaisrakenteissa. Tämä tehtiin ensin laitteella, jolla voidaan rakentaa mielivaltaisia unitaarisia transformaatioita. Laitteella implementoitiin transformaatio poikittaisrakenteissa, joka vastaa säteenjakajan tekemää transformaatiota. Täten koe vastaa täysin kuuluisaa Hong-Ou-Mandel interferenssikoetta paitsi, että tällä kertaa interferenssi tapahtuu valon poikittaisrakenteessa eikä valon säteen kulkusuunnissa. Koe toistettiin seuraavaksi yksinkertaistetussa koejärjestelyssä. Tässä kokeessa näytettiin, että samanlainen interferenssi saadaan aikaiseksi poistamalla unitaaritransformaatiolaite. Tällä helpommalla koejärjestelyllä kyettiin tuottamaan laadukkaita kahden fotonin N00N tiloja yksittäisessä valonsäteessä.
Kirjan toisessa kokeessa hyödynnettiin näitä valon N00N tiloja erinäisissä metrologisissa applikaatioissa. Ennen mittauksia, valon hyödyllisimmät kvanttitilat identifioitiin Fisher-informaation avulla. N00N tiloja käytettiin tämän jälkeen kvantti-ilmiöitä hyödyntävissä pyörähdyksen ja pitkittäissiirtymän mittauksissa.
Kirjan viimeisessä osiossa mitattiin monen fotonin tilan Gouy-vaihetta näillä samoilla N00N tiloilla. Koska valon Gouy-vaihetta ei ole ennen mitattu tällaisessa kontekstissa, mittaustulokset tuovat uutta näkökulmaa fotonien käyt- täytymiseen. Nämä mittaukset esimerkiksi paljastivat, että aiemmissa tutkimuksissa hyödynnetty monen fotonin de Broglie aallonpituus ei kuvaa täysin monen fotonin tilojen ominaisuuksia. Tämän lisäksi tuloksista huomattiin, kuinka eräs tulkinta klassisen Gouy-vaiheen alkuperästä pystyy myös ennustamaan monen fotonin Gouy-vaiheen käyttäytymisen.
Kokoelmat
- Väitöskirjat [4943]