Generation and characterization of spatially structured few-photon states of light

Niniejsza praca doktorska prezentuje wyniki badań poświęconych charakteryzacji struktury przestrzennej i właściwości statystyk kilkufotonowych stanów światła generowanych m.in. z użyciem nowego źródła opartego na wielomodowej pamięci atomowej. Praca składająca się z 9 rozdziałów podzielona jest na wstęp literaturowy i teoretyczny oraz trzy części zawierające merytoryczne wyniki badań. Kolejno w części I prezentujemy i charakteryzujemy skonstruowany układ kamery sCMOS ze wzmacniaczem obrazu (I-sCMOS). Przedstawiamy teoretyczne modele nasycania detektorów rozróżniających liczbę fotonów, które jakościowo odnoszą się do kamery. Przeprowadzamy eksperymentalną tomografię kamery I-sCMOS a jej wyniki wykorzystujemy do wiernej rekonstrukcji pierwotnych statystyk światła padającego na kamerę. W części II prezentujemy układ pamięci atomowej w ciepłych parach rubidu, do której zapis i odczyt odbywa się w wyniku kolektywnego rozpraszania Ramana. Pamięć jest w stanie przechować informacje na temat przestrzennej struktury światła. Dokładnie opisujemy układ doświadczalny, w szczególności pod kątem układu filtrowania. Charakteryzujemy wielomodowe rozpraszanie Ramana oraz badamy zdolność przechowywania pamięci ograniczoną dekoherencją dyfuzyjną. Demonstrujemy korelacje przestrzenne pomiędzy opóźnionymi w czasie fotonami Stokesa i anty-Stokesa. Używając kamery I-sCMOS i zaawansowanego systemu filtrowania obserwujemy korelacje przestrzenne aż do reżimu pojedynczych wzbudzeń atomowych na mod pamięci. W części III wykorzystujemy kamerę I-sCMOS do badania zjawiska interferencji dwufotonowej Hong-Ou-Mandela obserwowanego z rozdzielczością przestrzenną. Studiujemy wpływ skończonej widzialności przestrzennej na wynik interferencji, która służy nam do pomiaru lokalnej struktury przestrzennej pojedynczego fotonu. Zaobserwowaliśmy i zbadaliśmy następujące słabo zbadane zjawiska. W części I badamy pozorne efekty nieklasyczne w statystykach zliczeń fotonów zmierzonych za pomocą kamery. W części II po raz pierwszy pokazujemy wielomodowe rozpraszanie Ramana w pamięciach atomowych. Natomiast w części III prezentujemy pierwszą obserwację efektu Hong-Ou-Mandela z rozdzielczością przestrzenną, którą następnie badamy pod kątem wpływu skończonej rozróżnialności przestrzennej interferujących fotonów. Na potrzeby tej pracy zostały stworzone i opracowane następujące, nowe metodologie badawcze. Stosujemy nowego typu kamerę I-sCMOS, opracowujemy rekonstrukcje statystyk fotonów na podstawie tomograficznej charakteryzacji detektora. Konstruujemy skuteczny układ filtrowania fotonów w pamięci atomowej. Tworzymy nową dokładną metodę pomiaru współczynników dyfuzji w pamięci atomowej. Prezentujemy także własne metody charakteryzacji przestrzennej statystycznych właściwości światła. W końcu, pokazujemy zupełnie nowatorską metodę holograficznego pomiaru struktury fazy pojedynczego fotonu, wykorzystującą m.in. specjalnie stworzony algorytm rekonstrukcji fazy. Zaprezentowane wyniki wpisują się w kontekst współczesnych badań w optyce kwantowej, a także posiadają szereg potencjalnych zastosowań, przedyskutowanych w podsumowaniu pracy.

The present doctoral dissertation discusses the results of research on the characterization of spatial structure and statistical properties of few-photon states of light generated i.a. with the use of a new source based on multimode atomic memory. The dissertation comprises nine chapters grouped into the following parts: a literature and theoretical introduction, and three main parts providing the experimental results. Part I discusses the characteristics of a scientific complementary metal-oxide semiconductor camera equipped with an image intensifier (I-sCMOS) constructed by our group. We provide theoretical models of saturation of photon-number-resolving detectors which relate qualitatively to our camera. We perform experimental tomography of the I-sCMOS camera and use its results for high-fidelity reconstruction of the original statistics of the impinging light. In Part II we present an atomic memory setup in warm rubidium vapors where the write-in and readout occur due to collective Raman scattering. The memory is able to store information about the spatial structure of light. We describe the experimental setup thoroughly, with particular attention to the filtering system. We characterize multimode Raman scattering and investigate the storage performance of the memory which is limited by diffusional decoherence. We demonstrate spatial correlations between delayed Stokes and anti-Stokes photons. Using the I-sCMOS camera together with an advanced filtering system we observe spatial correlations down to single atomic excitations per memory mode. In Part III we discuss the use of the I-sCMOS camera to observe the Hong-Ou-Mandel two-photon interference with spatial resolution. We study the influence of finite spatial distinguishability of photons on the interference results, which leads us to measurements of the local spatial structure of a single photon. We observe and examine closely the following relatively unexplored phenomena. In Part I we investigate seemingly nonclassical effects in measurements of photon counts statistics on the camera. In Part II we are the first ones to show multimode Raman scattering in atomic memories. Finally, in Part III we describe the first observation of the Hong-Ou-Mandel effect with spatial resolution which is studied further in terms of finite spatial distinguishability of the interfering photons. In this thesis, we present the following novel experimental methodology. We use a new-type of I-sCMOS camera. We implement and perform the reconstruction of photon statistics based on tomographic characterization of the detector. We also build an efficient filtering system for photons generated in atomic memory. Moreover, we create an accurate method of measuring diffusion coefficients in atomic memory. We present our own methods of spatial characterization of the properties of light. Eventually, we introduce an entirely novel method: holographic measurement of the phase structure of a single photon using i.a. a specially developed phase reconstruction algorithm. The presented results fall within the scope of contemporary research in quantum optics and have a number of possible applications, as discussed in the final remarks section.