Atomowy generator i procesor kwantowych stanów światła

Niniejsza praca doktorska skupia się na rozwoju wielomodowej pamięci kwantowej opartej na zimnych atomach rubidu-87. Rozważane są dwa główne kierunki rozwoju układu pamięci przedstawione odpowiednio w dwóch częściach pracy. Prezentacja wyników naukowych (części II oraz III) poprzedzona jest częścią wprowadzającą, zawierającą przegląd literatury, wstęp teoretyczny oraz opis najważniejszych części układu eksperymentalnego. W części II prezentuję zastosowanie układu pamięci kwantowej do multipleksowanego generowania splątanych polaryzacyjnie par fotonów. Rozdział 4 stanowi teoretyczne wprowadzenie do problemu generacji par fotonów w pamięci i konwersji ich stanu EPR do polaryzacyjnych stanów Bella. Rozdział 5 przedstawia charakteryzację wytwarzanych stanów Bella w wielu modach kątowych. Zbadane są poziomy szumów, oraz widzialność interferencji w pomiarze Bella i liczba modów, oraz czas życia pamięci. Rozdział 6 dotyczy demonstracji fazoczułego obrazowania jałowego wykorzystującego opisany w dwóch poprzednich rozdziałach generator stanów Bella. Zastosowany schemat obrazowania jałowego z pamięcią kwantową zamiast linii opóźniającej jest pierwsza tego typu demonstracją nieobecną wcześniej w literaturze. Część III skupia się na implementacji protokołu pamięci gradientowej z przetwarzaniem. Prezentacja wyników badań jest poprzedzona wprowadzeniem teoretycznym opisującym szczegółowo protokół pamięci gradientowej. Wprowadzenie to stanowi rozdział 7. Rozdział 8 opisuje implementację metody obrazowania czasowego w układzie pamięci gradientowej. Rozdział ten zawiera demonstrację protokołu wąskopasmowego spektrometru opartego o czasową transformatę Fouriera realizowaną wewnątrz pamięci. Rozdział 9 opisuje rozszerzenie tej metody do nadrozdzielczego pomiaru separacji dwóch linii spektralnych. Demonstracja wyników poprzedzona jest szczegółowym omówieniem problemu nadrozdzielczości w kontekście informacyjnej teorii pomiaru i estymacji. Ostatni rozdział tej części (rozdział 10) dotyczy metody trójwymiarowego obrazowania spójności atomowej przechowywanej w pamięci, z perspektywą na objętościowe obrazowanie pól elektromagnetycznych. Część IV zawiera podsumowanie przedstawionych wyników i rysuje możliwe ścieżki rozwoju układu pamięci, którego dotyczy niniejsza rozprawa.

This PhD thesis focuses on the development of multimode quantum memory based on cold rubidium-87 atoms. Two main developments of the memory system are considered and presented in two parts of the thesis, respectively. The presentation of the scientific results (II and III) is preceded by an introductory part including a literature review, a theoretical introduction and a description of the most important parts of the experimental setup. In the II part, I present the application of a quantum memory setup for the multiplexed generation of polarization entangled photon pairs. Chapter 4 provides a theoretical introduction to the problem of generating photon pairs in the memory and converting their EPR state to a polarization Bell states. Chapter 5 presents a characterization of the generated Bell states distributed among many angular modes. Experimental investigation includes noise level measurements, analysis of the visibility of interference in the Bell measurement and calculation of number of modes as well as measurement of the memory lifetime. Chapter 6 describes the demonstration of a phase-sensitive ghost imaging protocol employing the Bell state generator described in the previous two chapters. The presented ghost imaging scheme that incorporates a quantum memory instead of a delay line is the first demonstration of its kind previously absent in the literature. Part III focuses on the implementation of a gradient echo memory protocol (GEM) with built-in processing capabilities. Presentation of the experimental results is preceded by a theoretical introduction describing the GEM protocol in chapter 7. Chapter 8 describes the implementation of the temporal imaging scheme in the GEM setup. The chapter includes a demonstration of a narrowband spectrometer based on the temporal Fourier transform implemented inside the memory. Chapter 9 extends this method to allow a super-resolution measurement of the frequency separation between two spectral lines. Demonstration of the protocol is preceded by a detailed discussion of the super-resolution problem in the context of information theory of measurement and estimation. The last chapter of this part (chapter 10) describes a method for three-dimensional imaging of atomic coherence stored in the memory. The presented results pave the way towards volumetric imaging of electromagnetic fields. The (last) part IV consists of a brief summary of the presented results and identifies possible ways for the development of the memory system described in this dissertation.