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Abstract

Parametrische Fluoreszenz (PDC) ist ein nichtlinearer Quanteneffekt, der größtenteils in quantumoptischen Aufbauten, aufgrund der Möglichkeit Paarphotonemissionen auszulösen,verwendet wird. Innerhalb dieser Promotionarbeit wird festgestellt, dass die Spektraleigenschaften des PDC-Effekts eine im Rahmen der Quanteninterferometrie entscheidende Rolle spielen können. Die Argumentation ist in zwei Abschritte unterteilt, in denen lineare und nichtlineare Interferenzsysteme unterschieden und analysiert werden. Als Beispiel von linearer Quanteninterferenz wird die Hong-Ou-Mandel-Interferenz untersucht. In dieser Dissertation wird bewiesen, dass das HOM-Minimum im Koinzidenzprofil sich einem "antibunching" Peak zukehrt, wenn eine Vier- statt Zweiphotoninterferenz vorkommt und falls die Photonen Quantenkorrelationen aufweisen. Außerdem wird die Anwesenheit von schnellen manipulierbaren Schwankungen in der Koinzidenzprofi23l bewiesen, wenn Verschränkung zwischen den zwei Interferometerkanalen ausgelöst wird. Als Vorbild der nicht-linearen Interferometrie wird ein integrierter SU(1,1) Interferometer mathematisch gestaltet und seine Leistungen im Rahmen der Phasensensitivität geprüft. Innerhalb dieser Analyse werden zwei PDC-Prozesse als optisch-parametrische Verstärker, aus denen ein SU(1,1)-Interferometer besteht, genutzt. Es wird bewiesen, dass die Phasensensitivität das Shot-noise-Limit übersteigen kann.

Abstract

The parametric down-conversion (PDC) is a nonlinear optical effect, largely used in quantum optical frameworks because of the possibility to create photon pairs, in some cases characterized by quantum correlations as well as frequency and polarization entanglement.In this thesis, the role of the spectral features of the PDC in quantum interferometry is demonstrated. The argumentation here exposed is split in two parts, distinguishing linear and nonlinear interference phenomena.An example of the first type is the two-photon Hong-Ou-Mandel (HOM) interference, where photons leave the same output door of a beam splitter only if they are identical. In this work it is demonstrated that in the four-photon scenario the coincidence profile changes drastically, and in particular, the HOM dip turns to an antibunching peak if photons undergo quantum correlations. Furthermore, by inducing a spatial entanglement between the channels of the interferometer, the presence of fast oscillations in the coincidence probability is observed. The four photon scenario enables the manipulation of these oscillations as well as the creation of four-photon Bell states. As a paragon of nonlinear interferometry, we mathematically model a realistic integrated SU(1,1) interferometer. In this framework, two PDC waveguides are utilised as optical parametric amplifiers constituting the interferometer. Despite the presence of dispersion, the proposed interferometer can overcome the shot noise limit.

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