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  • Erzeugung und Charakterisie-rung von Einzelphotonen ausPDC in PPKTP fr Anwendungenin der QuanteninformationPreparation and Characterization of Single Photons from PDC in PPKTP for Applications in

    Quantum Information

    Zur Erlangung des Grades eines Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) genehmigteDissertation von Sabine Euler aus Dieburg

    Tag der Einreichung: 12.07.2017| Tag der Prfung: 01.11.2017| Darmstadt 2018 D 17Referent: Professor Dr. Thomas Walther| Korreferent: Professor Dr. Gerhard Birkl

    Fachbereich PhysikInstitut fr Angewandte PhysikLaser und Quantenoptik

  • Erzeugung und Charakterisierung von Einzelphotonen aus PDC in PPKTP fr Anwendungen in der

    Quanteninformation

    Preparation and Characterization of Single Photons from PDC in PPKTP for Applications in Quan-

    tum Information

    Genehmigte Dissertation von Sabine Euler aus Dieburg

    Referent: Professor Dr. Thomas Walther

    Korreferent: Professor Dr. Gerhard Birkl

    Tag der Einreichung: 12.07.2017

    Tag der Prfung: 01.11.2017

    Darmstadt D 17

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  • Institut fr Angewandte PhysikTechnische Universitt Darmstadt

    Erzeugung und Charakterisierung von

    Einzelphotonen aus PDC in PPKTP fr Anwendungen

    in der Quanteninformation

    Vom Fachbereich Physikder Technischen Universitt Darmstadt

    zur Erlangung des Gradeseines Doktors der Naturwissenschaften

    (Dr. rer. nat.)

    genehmigteDissertation

    vonSabine Euleraus Dieburg

    Darmstadt 2018 D 17

  • Kurzzusammenfassung

    ber Jahrhunderte hinweg teilte die Frage nach der Natur des Lichts die Wissenschaftler inzwei Lager. Zum einen in Vertreter der Teilchenhypothese, zum anderen jedoch sptestensnach der Verffentlichung der Maxwell-Gleichungen und dem Nachweis elektromagneti-scher Wellen durch Heinrich Hertz in Anhnger der Wellentheorie von Licht. Erst mit derEntwicklung der Quantenmechanik zu Beginn des 20. Jahrhunderts erwiesen sich beideTheorien als gleichberechtigt. Bereits 1905 von Einstein postuliert, gelang der Nachweiseinzelner Photonen, wie die Lichtteilchen mittlerweile genannt wurden, erst im Jahr 1977durch Kimble et al., Experimente zur Wellennatur von Einzelphotonen erfolgten 1986 durchGrangier et al..Seit den 1970er Jahren erfolgt die Prparation von Einzelphotonen nach immer neuen ex-perimentellen Anstzen, die Entwicklung der Quanteninformation in den 1980er Jahren er-ffnet ber die Untersuchung spannender quantenmechanischer Zusammenhnge hinausein praktisches Anwendungsfeld fr Einzelphotonenquellen. Im Zentrum der vorliegendenArbeit stand die Erzeugung von entarteten Einzelphotonenpaaren um 808 nm durch dennichtlinearen Prozess der parametrischen Abwrtskonversion vom Typ II in periodisch ge-poltem Kaliumtitanylphosphat als nichtlinearem Medium. Die Emissionsspektren verschie-dener Kristalle werden untersucht und Besonderheiten diskutiert, Details ber das entarte-te Emissionsspektrum werden den Zweiphotoneninterferenzspektren aus Aufbauten nachHong, Ou und Mandel bzw. Shih und Alley entnommen. Zugleich wird ein mathematischesModell vorgestellt, das die exakte Beschreibung der Zweiphotoneninterferenzspektren unge-filterter Typ II-PDC-Photonen erlaubt. Die Emissionsspektren der einzelnen Photonen wer-den auerdem mit Hilfe von Autokorrelationsexperimenten untersucht, eine erfolgreicheVerletzung der Bellschen Ungleichung besttigt die Mglichkeit der Prparation polarisati-onsverschrnkter Zustnde. Mit PDC in PPKTP steht damit eine zuverlssige und vielseitigeQuelle fr Einzelphotonen um 808 nm zur Verfgung.Neben der Erzeugung von Einzelphotonenpaaren durch PDC und ihrer Charakterisierungdurch verschiedene Interferenzexperimente wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeitauerdem zwei Anwendungsanstze verfolgt: Durch Differenzfrequenzerzeugung zwischeneinem Einzelphoton und einem klassischen Pumpfeld sollte eine Zweiphotonenquelle imple-mentiert werden, deren grundstzliche Idee hier skizziert wird. Ein zweites Anwendungs-feld stellt die oben bereits angesprochene Quanteninformationsverarbeitung dar, die be-schriebene Einzelphotonenquelle wird verwendet, um ein Sende-Modul fr den Quanten-schlsselaustausch nach dem BB84-Protokoll zu implementieren. Im Rahmen dieser Arbeitwurde ein Aufbau entwickelt, der auf die Verwendung aktiver optischer Elemente zur Zu-standsprparation verzichtet und das Zentrum einer Schlsselaustauschstrecke nach BB84bildet.

  • Abstract

    For centuries the question of the nature of light has divided scientists in two groups. Thesupporters of the particle theory and, latest since the announcement of Maxwells equationsand Hertz experimental proof of the existence of electro-magnetical waves, followers of thewave theory. Only since the development of quantum mechanics at the beginning of the 20.Century both theories coexist equally.The existence of the photon, postulated as early as 1905 by Einstein, was only proven in1977 when Kimble et al. succesfully performed a single photon Hanbury Brown-Twiss expe-riment. The wave behavior of single photons was shown in 1986 by Grangier et al..Since the 1970s the preparation of single photons follows many new and different approa-ches. With the announcement of quantum key distribution protocols in the 1980s a newapplication of single photon sources arose besides the investigation of the principles of quan-tum mechanics. This thesis focuses on the generation of degenerate single photon pairs at808 nm from the nonlinear process of type II parametric down conversion in periodicallypoled potassium titanyl phosphate as a nonlinear medium. Emission spectra of differentKTP chips are analyzed and their characteristics discussed. Two photon interference experi-ments after Hong, Ou and Mandel and Shih and Alley are set up to gain knowledge aboutthe details concerning the spectra of degenerate PDC from the interference patterns. In ad-dition, a mathematical model is presented that allows to describe the spectra of two photoninterference of unfiltered type II PDC photon pairs. We studied the autocorrelation spectraof single PDC photons and proved the ability to prepare polarization entangled single pho-ton pairs by violating Bells inequality. Therefore, PDC in PPKTP serves as a reliable andversatile source for single photons at 808 nm.Besides preparing single photons from PDC and characterizing them in different interfe-rence experiments, we pursued two application approaches. Difference frequency generati-on between a single photon and a classical pump field should lead to a two photon source,the basic idea of this approach is presented in this thesis. A second application lies in thefield of quantum key distribution as mentioned above. Our single photon source is used toset up a sender module for quantum key distribution according to BB84. Within this thesiswe developed an implementation that allows the preparation of single photons in all fourdifferent states of polarization only by the use of passive optical components. This senderunit builds the center of our key distribution setup.

  • Inhaltsverzeichnis

    1 Einleitung 1

    I PDC-basierte Photonenquellen 5

    2 Erzeugung von Einzelphotonen 72.1 Grundlagen der nichtlinearen Optik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2 Grundlagen der parametrischen Abwrtskonversion . . . . . . . . . . . . . . . . 17

    2.2.1 Theoretische Bandbreite der PDC-Photonen . . . . . . . . . . . . . . . . 222.3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

    3 Parametrische Abwrtskonversion in PPKTP 253.1 Detektion von Einzelphotonen um 808 nm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.2 Pumplicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.3 Aufbau zur Kristallcharakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.4 Experimentelle Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

    3.4.1 Emissionsspektren der parametrischen Abwrtskonversion in PPKTP . 383.4.2 Einfluss des Pumpspektrums auf das Emissionsspektrum der PDC . . . 433.4.3 Einfluss der Pumpmode auf das Emissionsspektrum der PDC . . . . . . 443.4.4 Optimierung der Kristallparameter mit Hilfe eines Bandpassfilters . . 463.4.5 Experimentelle Bandbreite der PDC-Photonen . . . . . . . . . . . . . . . 49

    3.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

    4 Interferenzexperimente 534.1 Das Hong-Ou-Mandel-Interferometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544.2 Das Shih-Alley-Interferometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594.3 Ergebnisse verschiedener Zweiphotoneninterferenzexperimente . . . . . . . . 61

    4.3.1 Interferenzspektren entarteter PDC-Photonen mit schmalbandiger Fil-terung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

    4.3.2 Interferenzspektren nicht-entarteter PDC-Photonen . . . . . . . . . . . 744.3.3 Interferenzspektren in ihrer Frequenz verschrnkter Photonenpaare . 774.3.4 Interferenzspektren entarteter PDC-Photonen ohne schmalba