From coherent to single-particle quantum walks

Hier präsentieren wir die Implementierung und Untersuchung von zeitgemultiplexten optischen Quantennetzwerken. Diese beinhalten die Präparierung von Einzelphotonen-Zuständen, ihre Weiterverarbeitung in einem dynamisch rekonfigurierbaren Netzwerk und modenauflösende Detektion. Mit einem solchen System erlangen wir vielseitige Möglichkeiten im Bereich der Simulation von sowohl teilchen- als auch wellenartigen Phänomenen. Die Eingangszustände werden in einem parametrischen Fluoreszenzprozess (englisch: parametric down-conversion, PDC) erzeugt, der dahingehend optimiert wurde, dass er einerseitskompatibel mit dem verwendeten Zeitmultiplex-Netzwerk ist und andererseits ununterscheidbare und reine Photonen liefert und somit Quanteninterferenz mit hoher Visibilität erlaubt. Durch den Einsatz schneller elektro-optischer Modulatoren (EOMs) können wir das Verhalten der Photonen hinsichtlich Aufspaltung, Propagation und inhomogener Verluste dynamisch beeinflussen. Folglich können wir die Auswirkungen projektiver Messungen untersuchen. Mit der Detektionseinheit lassen sich sowohl die externen (Zeitslots) als auch die internen Moden (Polarisation) auflösen, so dass moden-abhängige Intensitäts- und Koinzidenzmessungen möglich sind. Die Beschreibung der Zeitentwicklung der Photonen erfolgt über den Formalismus eines Quantenspaziergangs mit diskreten Zeitschritten. Im Rahmen der Untersuchung von wellenartigen Phänomenen mit kohärenten Zuständen implementieren wir sowohl topologisch geschützte Randzustände als auch eine Simulation projektiver Messungen. Teilchenartige Phänomene untersuchen wir dagegen mit Einzelphotonen-Zuständen. Hier zeigt sich im Experiment das Zusammenspiel zwischen den Kohärenzeigenschaften der Moden, der Moden-Auflösung während der Detektion und der zeitgemultiplexten Quanteninterferenz.In this work we present the implementation and study of time-multiplexed optical quantum networks. These incorporate the preparation of single-photon states, their manipulationin a dynamically reconfigurable circuitry and mode-resolving detection. With such a system we achieve versatile simulation capabilities for both wave-like as well as particle-like phenomena. The input states are generated in a parametric down-conversion (PDC) process engineered to be compatible with the time-multiplexing fibre network as well as to yield indistinguishableand pure photons which are required for quantum interference with high visibility. Employing fast-switching electro-optic modulators (EOMs), we can dynamically reconfigure the circuitry in terms of the splitting, routing and inhomogeneous losses to which thephotons are subjected. In this way, we can probe the effect of projective measurements during the evolution. The detection unit resolves the external (time bins) as well as the internal modes (polarisation), allowing for mode-dependent intensity and coincidence measurements. For describing the photons evolution we adopt the formalism of discrete-time quantum walks. Examining wave-like behaviour with coherent states, we investigate topologically-protected edge states as well as the effect of projective measurements. Probing particle-like effects with single-photon states, we conduct experiments revealing the interplay between the coherence properties of synthesized modes, the degree of mode resolution in the detection and the time-multiplexed quantum interference.vorgelegt von Thomas Nitsche ; [1. Gutachterin: Prof. Dr. Christine Silberhorn, 2. Gutachter: Prof. Dr. Thomas Zentgraf]Tag der Verteidigung: 10.10.2019Universität Paderborn, Dissertation, 201