Advanced

Quantum Optics and Quantum Information Processing in Rare-Earth-Ion-Doped Crystals

Ohlsson, Nicklas LU (2003) In Lund Reports in Atomic Physics LRAP-300.
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Ljusets minsta kända beståndsdelar kallas fotoner. Enligt kvantmekaniken har dessa egenskaper som normalt förknippas med vågor och samtidigt sådana egenskaper som normalt förknippas med partiklar. Partikelegenskaperna tar sig uttryck i att den minsta mängd ljus som går att mäta är den mängd som motsvaras av en foton. Vågegenskaperna, å andra sidan, visar sig i interferensexperiment, där en enskild foton verkar kunna ta två olika vägar samtidigt för att sedan kunna interferera med sig själv. Denna dualism mellan våg- och partikelnaturen hos fotoner har studerats flitigt under de senaste hundra åren.



I denna avhandling presenteras ett experiment, där enskilda fotoner har fått... (More)
Popular Abstract in Swedish

Ljusets minsta kända beståndsdelar kallas fotoner. Enligt kvantmekaniken har dessa egenskaper som normalt förknippas med vågor och samtidigt sådana egenskaper som normalt förknippas med partiklar. Partikelegenskaperna tar sig uttryck i att den minsta mängd ljus som går att mäta är den mängd som motsvaras av en foton. Vågegenskaperna, å andra sidan, visar sig i interferensexperiment, där en enskild foton verkar kunna ta två olika vägar samtidigt för att sedan kunna interferera med sig själv. Denna dualism mellan våg- och partikelnaturen hos fotoner har studerats flitigt under de senaste hundra åren.



I denna avhandling presenteras ett experiment, där enskilda fotoner har fått växelverka med joner indopade i en kristall. Experimentet indikerar att enskilda fotoner kan delas upp i två pulser som absorberas av jonerna i kristallen. Sedan absorptionen av många enskilda fotoner ackumulerats i kristallen är det möjligt att få information om tidsskillnaden mellan de två pulserna. Detta trots att en direkt mätning av pulserna skulle visa att fotonerna befann sig i antingen den ena pulsen eller den andra, men aldrig i båda samtidigt. Vid en sådan mätning skulle det vara omöjligt att få information om tiden mellan pulserna. Experimentet som presenteras i avhandlingen kan tolkas som att de båda pulserna interfererar med varandra i kristallen trots att de aldrig befinner sig där samtidigt.



En annan del av avhandlingen behandlar området kvantdatorer. Dagens datorer behandlar information i form av bitar som kan ha antingen värdet ett eller värdet noll. I en kvantdator representeras bitarna, vilka kallas kvantbitar, av kvantmekaniska system. Detta innebär att kvantbitarna kan anta värdena noll och ett, precis som bitarna i en vanlig dator, men att de även kan vara i en superposition av de båda värdena. Detta gör att datorn kan räkna på båda de möjliga värdena parallellt, vilket gör det möjligt att utföra vissa typer av beräkningar snabbare än om en vanlig dator hade använts. Byggandet av kvantdatorer befinner sig fortfarande på experimentstadiet och ett stort antal fysikaliska system, som föreslagits som möjliga för att implementera kvantdatorberäkningar, undersöks för närvarande.



Inom ramen för denna avhandling har möjligheten att utföra elementära kvantdatorberäkningar med hjälp av kristaller dopade med joner från de sällsynta jordartsmetallerna undersökts. I avhandlingen presenteras ett förslag på hur detta skulle kunna göras. Förslaget går ut på att låta joner som absorberar ljus med olika våglängd utgöra olika kvantbitar. För att kunna använda kvantbitarna i logiska grindar krävs det att jonerna i de olika kvantbitarna kan växelverka med varandra. Ett tillvägagångssätt för att från en kristall välja ut endast de joner där denna växelverkan är tillräckligt stark har också utvecklats och presenteras i avhandlingen. Vidare har experiment utförts för att undersöka om förslaget går att realisera i praktiken.



Slutligen har samma typ av kristaller som de ovan beskrivna använts för att komprimera optiska pulser. Genom att använda en optisk process kallad fotonekon, kunde optiska pulser, ursprungligen mikrosekunder långa, komprimeras till längder i nanosekundsområdet. Samma typ av kristaller har också undersökts då de placerats i ett starkt magnetfält. Detta visade sig ge upphov till en mekanism för långtidslagring av information i kristallen, vilket kan ha tillämpningar inom optisk datalagring och signalbehandling. (Less)
Abstract
In this thesis, aspects of the use of cryogenically cooled rare-earth-ion-doped crystals in the fields of quantum optics and quantum information processing are addressed. The experiments and theoretical considerations referred to in this thesis are based on the coherent transient interaction between light and the ions in the crystals.



A photon echo experiment has been performed where faint optical pulses were accumulated in the crystal. In this experiment, the possibility of single photons acting as two of the optical fields in the photon echo process was investigated. Different aspects on the experiment, which can be viewed as delayed self-interference of a single photon, are discussed in this thesis.

... (More)
In this thesis, aspects of the use of cryogenically cooled rare-earth-ion-doped crystals in the fields of quantum optics and quantum information processing are addressed. The experiments and theoretical considerations referred to in this thesis are based on the coherent transient interaction between light and the ions in the crystals.



A photon echo experiment has been performed where faint optical pulses were accumulated in the crystal. In this experiment, the possibility of single photons acting as two of the optical fields in the photon echo process was investigated. Different aspects on the experiment, which can be viewed as delayed self-interference of a single photon, are discussed in this thesis.



A scheme for the possible implementation of quantum information processing in rare-earth-ion-doped crystals is presented. A key feature in this scheme is that small groups of ions, which can be optically manipulated and which interact in a controlled way, can be extracted from a collection of randomly positioned ions in the crystal host. Initial experimental investigations of the scheme, indicating the possibility of implementing quantum gates, are also presented in this thesis.



In another experiment, the application of magnetic fields of up to 5 T was seen to increase the lifetime of information stored as frequency-dependent modulation of the population of thulium ions doped into a YAG crystal by several orders of magnitude. This mechanism might be useful in data storage and information processing applications. An experiment in which the same type of crystal was used as the active medium in a photon-echo-based pulse compression experiment, where microsecond long pulses were compressed to nanosecond duration using frequency-chirped light pulses, is also reported in this thesis. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Dr Dowling, Jonathan P., NASA Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Rare-earth ions, Optical processing, Optical storage, Electromagnetism, akustik, optik, Elektromagnetism, optics, acoustics, Photon echo, Quantum optics, Quantum computing, Fysicumarkivet A:2003:Ohlsson
in
Lund Reports in Atomic Physics
volume
LRAP-300
pages
140 pages
publisher
Department of Physics, Lund University
defense location
Department of Physics, Hall B, Lund Institute of Technology.
defense date
2003-05-16 13:15
external identifiers
  • other:ISRN: LUFTD2(TFAF-1053)1-81(2003)
ISSN
0281-2762
ISBN
91-628-5645-6
language
English
LU publication?
yes
id
3829a21a-45a8-4248-bd07-d3041ee27d5b (old id 465810)
date added to LUP
2007-09-28 13:09:58
date last changed
2016-09-19 08:44:56
@phdthesis{3829a21a-45a8-4248-bd07-d3041ee27d5b,
  abstract     = {In this thesis, aspects of the use of cryogenically cooled rare-earth-ion-doped crystals in the fields of quantum optics and quantum information processing are addressed. The experiments and theoretical considerations referred to in this thesis are based on the coherent transient interaction between light and the ions in the crystals.<br/><br>
<br/><br>
A photon echo experiment has been performed where faint optical pulses were accumulated in the crystal. In this experiment, the possibility of single photons acting as two of the optical fields in the photon echo process was investigated. Different aspects on the experiment, which can be viewed as delayed self-interference of a single photon, are discussed in this thesis.<br/><br>
<br/><br>
A scheme for the possible implementation of quantum information processing in rare-earth-ion-doped crystals is presented. A key feature in this scheme is that small groups of ions, which can be optically manipulated and which interact in a controlled way, can be extracted from a collection of randomly positioned ions in the crystal host. Initial experimental investigations of the scheme, indicating the possibility of implementing quantum gates, are also presented in this thesis.<br/><br>
<br/><br>
In another experiment, the application of magnetic fields of up to 5 T was seen to increase the lifetime of information stored as frequency-dependent modulation of the population of thulium ions doped into a YAG crystal by several orders of magnitude. This mechanism might be useful in data storage and information processing applications. An experiment in which the same type of crystal was used as the active medium in a photon-echo-based pulse compression experiment, where microsecond long pulses were compressed to nanosecond duration using frequency-chirped light pulses, is also reported in this thesis.},
  author       = {Ohlsson, Nicklas},
  isbn         = {91-628-5645-6},
  issn         = {0281-2762},
  keyword      = {Rare-earth ions,Optical processing,Optical storage,Electromagnetism,akustik,optik,Elektromagnetism,optics,acoustics,Photon echo,Quantum optics,Quantum computing,Fysicumarkivet A:2003:Ohlsson},
  language     = {eng},
  pages        = {140},
  publisher    = {Department of Physics, Lund University},
  school       = {Lund University},
  series       = {Lund Reports in Atomic Physics},
  title        = {Quantum Optics and Quantum Information Processing in Rare-Earth-Ion-Doped Crystals},
  volume       = {LRAP-300},
  year         = {2003},
}