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Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-002333-2

Quantum dissipation and entanglement generation in photonic systems

  • The realistic description of the physical processes in quantum optical systems requires careful investigation of the interplay between quantum dissipation and entanglement generation. In this thesis, we have considered from a microscopical perspective the entanglement generation in semiconductor microcavities at short times, the dissipative evolution of the quantum harmonic oscillator towards a stationary state, and the nonclassical properties of the asymptotic states of different photonic systems. In our description of two-dimensional semiconductor microcavities we showed that two different pump configurations can be used to stimulate parametric scattering processes between polaritons that lead to the generation of internal polariton entanglement. A moving polariton induces an ultrafast electric polarisation as a source of light that serves as a probe of the internal entanglement properties. The identification of the nonclassical correlations of the emitted photons is based on entanglement witnesses that can also be used for the quantification of entanglement, e.g., in terms of the Schmidt number. The simultaneous creation of multiple branch entangled photon pairs renders it possible to generate an arbitrary number of entangled qubit states. By adjusting the number of pump beams and their spectral properties, one can optimize the Bell-type correlations within one ore more of those entangled qubits. Quantum dissipation can be studied in a microscopic setting with the well known model of a central oscillator coupled linearly to a bath of harmonic oscillators. We showed that equilibration of the central oscillator is the generic behaviour, which is prevented only in situations in which the classical oscillator equation of motion possesses undamped oscillatory solutions. Because of its localised spectral function, the infinite linear harmonic chain is an example for this behaviour. Thermalisation of the central oscillator depends on additional conditions. Equipartition of kinetic and potential energies requires the weak damping limit but is independent on the initial condition. The initial bath preparation enters the asymptotic temperature. Essential for the thermalisation of several oscillators is, that the asymptotic temperature is independent of the central oscillator frequency, which is fulfilled if the initial bath energy distribution matches that of a thermal state. Nevertheless, because this condition involves the sum of kinetic and potential energy, full thermalisation is possible in environments with nonthermal individual energy distributions, even in those far from thermal equilibrium. We showed, that even in the absence of full thermalisation the fluctuations of the central oscillator follow a generalised fluctuation dissipation theorem that reduces to the well known thermal result whenever the central oscillator thermalises in the strict sense. Photonic systems such as two-level emitters in a cavity or semiconductor microcavities are employed in quantum optics applications. The realistic theoretical description of the physical processes requires the use of methods from quantum optics as well as fromthe field of quantum dissipation. Our focus was on the correct theoretical description of the emission from systems with strong coupling. The analysis of the light generated by emitters in a cavity reveals a non-trivial dependence of the photon statistics on the light-matter coupling and temperature. Clearly identifiable parameters regimes with sub- and super-Poissonian photon statistics appear at strong and ultrastrong coupling, and lie immediately next to each other. We provided an approximate rule to relate the emission characteristics for a single emitter to those obtained for few emitters under an appropriate scaling of the emitter-cavity coupling. In accordance with this rule, the generation of noncassical light is easier with more emitters. The outright failure of the quantum optical master equation at predicting any of the features observed in the emission statistics shows that using the correct master equation is essential in all situations. Including internal dissipation channels we showed that a continuously driven semiconductor microcavity generates entangled light even at infinitely large times. The entanglement generation is thus robust against decoherence under realistic experimental conditions. Because the pair correlations between polaritons can sustain over long times and distances in these solid-state devices, a microcavity is a highly efficient source of entangled light and therefore well suited for quantum optics applications.
  • Die realistische Beschreibung der physikalischen Prozesse in quantenoptischen Systemen erfordert eine sorgfältige Untersuchung des Wechselspiels von quantenmechanischer Dissipation und der Erzeugung von Verschränkung. In dieser Arbeit haben wir, ausgehend von einem mikroskopischen Standpunkt, die Erzeugung von Verschränkung in halbleitenden Mikrokavitäten, die dissipative Dynamik des harmonischen Oszillators, und die nichtklassischen Eigenschaften der asymptotischen Zustände von verschiedenen photonischen Systemen untersucht. In unserer Beschreibung von planaren halbleitenden Mikrokavitäten haben wir gezeigt, dass zwei unterschiedliche Anordnungen von Pump-Lasern parametrische Streuprozesse zwischen Polaritonen stimulieren, die zur Erzeugung interner Polariton-Verschränkung führen. Ein bewegtes Polariton erzeugt eine elektrische Polarisierung und das dabei emittierte Licht kann genutzt werden, um die internen Verschränkungseigenschaften nachzuweisen. Die Detektion der nichtklassischen Eigenschaften der emittierten Photonen basiert auf Verschränkungs-"Zeugen" (entanglement witnesses), welche auch zur Quantifizierung von Verschränkung, z.B. durch die Schmidt Zahl, verwendet werden können. Die simultane Emission mehrerer Zweig-verschränkter Photonenpaare ermöglicht die Erzeugung beliebig vieler verschränkter Qubit-Zustände. Durch das Anpassen der Zahl der Pump-Strahlen und deren spektraler Eigenschaften können die Bell-artigen Korrelationen einer oder mehrerer dieser verschränkten Qubits optimiert werden. Quantenmechanische Dissipation kann am Beispiel des zentralen Oszillators studiert werden, der an ein Bad aus harmonischen Oszillatoren gekoppelt ist. Wir haben gezeigt, dass Equilibrierung des zentralen Oszillators generisch ist und nur unterbunden ist, wenn die klassische Bewegungsgleichung des Oszillators ungedämpfte oszillierende Lösungen aufweist. Die unendliche lineare Kette von Oszillatoren ist ein Beispiel für dieses Verhalten, da sie eine lokalisierte Spektralfunktion besitzt. Thermalisierung des zentralen Oszillators hängt von zusätzlichen Bedingungen ab. Die Gleichverteilung von kinetischer und potentieller Energie benötigt den Grenzfall schwacher Kopplung, ist aber unabhängig von der Präparation des Gesamtsystems. Die Anfangsbedingung des Bads geht in die asymptotische Temperatur ein. Wesentlich für die Thermalisierung von mehreren Oszillatoren ist, dass die asymptotische Temperatur unabhängig von der Frequenz des zentralen Oszillators ist. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn die Energieverteilungsfunktion der Badpräparation thermisch ist. Da diese Voraussetzung nur die Summe von kinetischer und potentieller Energie betrifft, ist volle Thermalisierung auch in Umgebungen mit nicht-thermischen individuellen Energieverteilungsfunktionen möglich, selbst in solchen, die weit vom thermischen Gleichgewicht entfernt sind. Wir haben gezeigt, dass die Fluktuationen des zentralen Oszillators im stationären Zustand einem verallgemeinerten Fluktuations-Dissipation-Theorem folgen, welches mit dem thermischen Resultat übereinstimmt, wenn der zentrale Oszillator voll thermalisiert. Photonische Systeme, wie Emitter in einer Kavität oder halbleitende Mikrokavitäten, werden für quantenoptische Anwendungen eingesetzt. Die realistische Beschreibung der physikalischen Prozesse benötigt Methoden aus der Quantenoptik und der Theorie offener Systeme. In dieser Arbeit haben wir uns auf die korrekte theoretische Beschreibung der Emission von Systemen mit starker Kopplung fokussiert. Die Analyse des durch Emitter in einer Kavität erzeugten Lichts zeigt eine nichttriviale Abhängigkeit der Photonstatistik von der Stärke der Licht-Materie Kopplung und von der Bad Temperatur. Deutlich erkennbare Parameterbereiche mit sub- und super-Poissonscher Photonstatistik ergeben sich bei starker Kopplung und liegen unmittelbar nebeneinander. Wir haben eine approximative Regel formuliert, welche die Emissionscharakteristika eines einzelnen Emitters mit denen von mehreren Emittern in Beziehung setzt, indem die Emitter-Kavität-Kopplung entsprechend skaliert wird. Gemäß dieser Regel ist die Erzeugung von nichtklassischem Licht einfacher, wenn die Zahl der Emitter erhöht wird. Das gänzliche Versagen der quantenoptischen Mastergleichung bei der Vorhersage von nichtklassischem Licht zeigt, dass die Verwendung der korrekten Mastergleichung in allen Situationen wichtig ist. Indem wir interne Dissipationskanäle in unsere Beschreibung einer kontinuierlich gepumpten halbleitenden Mikrokavität einbezogen haben, konnten wir zeigen, dass dieses System selbst für unendlich lange Zeiten Verschränkung erzeugt. Selbst unter realistischen experimentellen Bedingungen ist die Erzeugung von Verschränkung also robust gegen Dekohärenz. Da die Paarkorrelationen zwischen Polaritonen in diesen Festkörpersystemen über lange Zeiten und Distanzen aufrecht erhalten werden, sind halbleitende Mikrokavitäten hoch effiziente Quellen von verschränktem Licht.

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Metadaten
Author: Daniel Pagel
URN:urn:nbn:de:gbv:9-002333-2
Title Additional (English):Quantum dissipation and entanglement generation in photonic systems
Title Additional (German):Quantendissipation und Erzeugung von Verschränkung in photonischen Systemen
Advisor:Prof. Dr. Ulrich Zülicke, Prof. Dr. Holger Fehske
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2015/10/23
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2015/10/19
Release Date:2015/10/23
Tag:Verschränkung, offene Quantensysteme
entanglement, open quantum systems
GND Keyword:Dissipation, Quantenoptik, Quantentheorie
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik
PACS-Classification:00.00.00 GENERAL / 03.00.00 Quantum mechanics, field theories, and special relativity (see also section 11 General theory of fields and particles) / 03.65.-w Quantum mechanics [see also 03.67.-a Quantum information; 05.30.-d Quantum statistical mechanics; 31.30.J- Relativistic and quantum electrodynamics (QED) effects in atoms, molecules, and ions in atomic physics] / 03.65.Yz Decoherence; open systems; quantum statistical methods (see also 03.67.Pp in quantum information; for decoherence in Bose-Einstein condensates, see 03.75.Gg)
00.00.00 GENERAL / 03.00.00 Quantum mechanics, field theories, and special relativity (see also section 11 General theory of fields and particles) / 03.67.-a Quantum information (see also 42.50.Dv Quantum state engineering and measurements; 42.50.Ex Optical implementations of quantum information processing and transfer in quantum optics) / 03.67.Bg Entanglement production and manipulation (for entanglement in Bose-Einstein condensates, see 03.75.Gg)
00.00.00 GENERAL / 03.00.00 Quantum mechanics, field theories, and special relativity (see also section 11 General theory of fields and particles) / 03.67.-a Quantum information (see also 42.50.Dv Quantum state engineering and measurements; 42.50.Ex Optical implementations of quantum information processing and transfer in quantum optics) / 03.67.Mn Entanglement measures, witnesses, and other characterizations (see also 03.65.Ud Entanglement and quantum nonlocality; 42.50.Dv Quantum state engineering and measurements in quantum optics)
00.00.00 GENERAL / 05.00.00 Statistical physics, thermodynamics, and nonlinear dynamical systems (see also 02.50.-r Probability theory, stochastic processes, and statistics) / 05.30.-d Quantum statistical mechanics (for quantum fluids aspects, see 67.10.Fj)
70.00.00 CONDENSED MATTER: ELECTRONIC STRUCTURE, ELECTRICAL, MAGNETIC, AND OPTICAL PROPERTIES / 71.00.00 Electronic structure of bulk materials (see section 73 for electronic structure of surfaces, interfaces, low-dimensional structures, and nanomaterials; for electronic structure of superconductors, see 74.25.Jb) / 71.36.+c Polaritons (including photon-phonon and photon-magnon interactions)