Titelaufnahme
Titelaufnahme
- TitelPhotons, space and time : the many ways of quantum walks / Federico Pegoraro ; Erstgutachter: Prof. Dr. Christine Silberhorn, Zweitgutachter: Prof. Dr. Tim Bartley
- Autor
- Gutachter
- Erschienen
- Umfang1 Online-Ressource (143 Seiten) : Illustrationen, Diagramme
- HochschulschriftUniversität Paderborn, Dissertation, 2026
- AnmerkungTag der Verteidigung: 18.03.2026
- Verteidigung2026-03-18
- SpracheEnglisch
- DokumenttypDissertation
- Schlagwörter (GND)
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Klassifikation
Zusammenfassung
In dieser Arbeit werden mehrere Implementierungen optischer Quantennetzwerke vorgestellt, die sowohl räumliches als auch zeitliches Multiplexing einsetzen, um Propagation zu realisieren, die als diskrete zeitliche Quantenirrfahrten (englisch: discrete time quantum walks) identifizierbar sind. Darüber hinaus befassen wir uns mit der Präparation der Photonzustände sowie deren Detektion. Je nach verwendetem System bestehen die Eingangszustände entweder aus kohärenten Lichtpulsen oder aus einzelnen Photonen, die durch einen parametrischen Fluoreszenzprozess (englisch: spontaneous parametric down-conversion) in einem dispersionsoptimierten, nichtlinearen Medium erzeugt werden. Für die Detektion kommen sowohl modenaufgelöste Klickdetektion als auch ein vollständig ausgestattetes Tomographie-Setup zum Einsatz. Sowohl pfad- als auch zeitkodierte Plattformen sind vollständig rekonfigurierbar und können ein großes optisches Interferometer realisieren, das ihre Ein- und Ausgabemoden umfasst. In der pfadkodierten Plattform wird dies durch thermische Phasenschieber und Richtkoppler in einem integrierten Bauteil erreicht, während das zeitmultiplexierte System schnell schaltende elektrooptische modulatoren nutzt, um dynamisch auf den Polarisationsraum einzuwirken. Mit der räumlich multiplexten Plattform wurde eine ressourceneffiziente Methode zur Systemprogrammierung demonstriert, die den Bedarf an Detektionseinheiten und zusätzlichen Komponenten reduziert, um Ein- und Zwei-Photonen-Evolutionen zu realisieren. Mit beiden Plattformen konnten verlustinduzierte Effekte in Quantenirrfahrten von zwei Photonen untersucht werden, die mit einer externen Umgebung gekoppelt sind. Darüber hinaus wurde mit der zeitkodierten Plattform die Verschränkungsfähigkeit von Quantenirrfahrten untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Dynamik der Irrfahrt, kombiniert mit messungsinduzierten Nichtlinearitäten, in der Lage ist, Verschränkung zwischen den Polarisationen zweier Photonen zu erzeugen, die sich ursprünglich in einem separablen Zustand befanden. Die volle Programmierbarkeit des zeitmultiplexierten Aufbaus wurde schließlich genutzt, um die erste direkte Implementierung eines zeitkodierten Quanten-CNOT-Gatters zu realisieren. Für dieses Gatter konnte eine Leistungsfähigkeit von ≈ 94% im Vergleich zum erwarteten Verhalten nachgewiesen werden. Abschließend wurde gezeigt, dass das zeitmultiplexierte Setup zur Implementierung eines Quanten-Schaltkreises mit Ein- und Zwei-Qubit-Gattern geeignet ist, der die vier Bell-Zustände erzeugt.
Abstract
In this work we present two implementations of optical quantum networks resorting both to spatial and temporal multiplexing in order to realize evolutions identifiable as discrete time quantum walks. Additionally, we deal with the preparation of the photon states and their detection. Depending on the specific system, the input states employed are either coherent light pulses or single photons generated using parametric down-conversion in a dispersion engineered nonlinear medium. From the point of view of detection, we employ both mode-resolved click detection and a fully fledged tomography setup. Both path- and time-encoded platforms are fully reconfigurable and can realize a large optical interferometer involving their input and output modes. Within the path-encoded platform this is achieved using thermal phase shifters and directional couplers in an integrated device. Instead, the time-multiplexed system exploits fast-switching electro-optical modulators to dynamically act on the polarization space. Using the spatially-multiplexed platform we demonstrate a resource efficient way of programming the system to reduce the need for detection units and additional devices in order to perform single- and two- photon evolutions. In both platforms we investigate loss induced effects in quantum walks of two photons coupled to an external environment. We employ the time encoded platform to probe the entangling power of quantum walks, showing how the walk dynamics combined with measurement-induced nonlinearities is capable of generating entanglement between the polarization of two photons which were initially in a separable state. Making use of the full power of the time multiplexed setup in terms of system programmability, we realize the first direct implementation of a time-encoded quantum CNOT gate achieving a fidelity of ≈ 94%. Finally, we demonstrate how the time-multiplexing setup can be used to implement a quantum circuit involving single- and two-qubit gates to generate the four Bell states.
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