Frequency upconversion of squeezed vacuum states of light

• Applicant: Professor Dr. Roman Schnabel
• Subject Area: Optics, Quantum Optics and Physics of Atoms, Molecules and Plasmas
• Term: from 2012 to 2015
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 212738367

• Final Report Year: 2015

Final Report Abstract

Gequetschte Zustände des Lichts betreffen das Herz der Quantenphysik. Das zeigt sich zum Beispiel durch die Tatsache, dass sich ein verschränkter Zustand ergibt, wenn man einen gequetschten an einem Strahlteiler aufteilt. Gequetschte Zustände des Lichts können in der Quantenmetrologie zur Verbesserung der Messempfindlichkeit und in der Quanteninformation zur abhörsicheren Kommunikation eingesetzt werden. Große praktische Bedeutung haben die gequetschten Vakuumzustände. Da sie frei von begleitendem Trägerlicht sind, kann kein Trägerlicht in das gequetschte Seitenband gestreut werden und so den Quetschgrad reduzieren, was z.B. bei Transmission durch optische Fasern wichtig ist. Gequetschte Vakuumzustände sind außerdem optimal für die Verbesserung von Laserinterferometern. Der Gravitationswellendetektor GEO 600 verwendet seit 2010 routinemäßig gequetschte Vakuumzustände, um so seine Messempfindlichkeit zu verbessern. Entscheidend für die Nützlichkeit von gequetschten Zuständen ist ihr Quetschgrad. Vor diesem Projekt konnten stark gequetschte Zustände nur für Laserlicht im nah-infraroten Wellenlängenbereich hergestellt werden. Für spektroskopische Anwendungen ergibt sich jedoch auch Bedarf an stark gequetschte Zusänden im sichtbaren Bereich. Eine besondere Herausforderung ergibt sich in der Quantenkommunikation. Hier möchte man die gequetschten Vakuumzustände des Lichts bei 1550 nm, nach Transmission durch eine Faser, ins Sichtbare konvertieren, um so innerhalb eines Quantennetzwerkes eine Kompatibilität mit einem möglichst großen Spektrum von zukünftigen Quantenspeichern herzustellen. Idealerweise sollte die Konversionseffizienz perfekt sein, also jedes Photon bei 1550 nm in ein neues bei 532 nm umgewandelt werden. Die Kohärenz zwischen den Photonen muss dabei erhalten bleiben. Vor diesem Vorhaben war die Herstellung stark gequetschter Vakuumzustände im sichtbaren Spektrum nicht demonstriert. Die Frequenzkonversion gequetschter Vakuumzustände war selbst für schwach gequetschte Zustände nicht gezeigt. Beides konnte in diesem Projekt verwirklicht werden. Wir erreichten eine Konversionseffizienz für den besagten Prozess von 90%. Der beobachtete Quetschgrad des grünen Lichts bei 532 nm betrug nahezu 6 dB. Beide Werte sind sehr hoch und entsprechen unseren Simulationen. Höhere Konversionseffizienzen sowie Quetschgrade sind in unserem Aufbau möglich, erfordern aber einen leistungsstärkeren Hauptlaser sowie Photodioden mit einer Quanteneffizienz von mehr als den 90% bei 532 nm, die hier zur Verfügung standen. Die in diesem Projekt erzeugten gequetschten Vakuumzustände bei 532 nm wurden im Rahmen eines „Proof-of-Principle“ Experiments zur Quantenmetrologie eingesetzt, d.h. zur Empfindlichkeitsverbesserung eines Mach-Zehnder-Interferometers – über dessen Photonenschrotrauschgrenze hinaus. Zusätzlich zu den in diesem Vorhaben geplanten Experimenten haben wir Ein-Photonen-Fockzustände von 1550 nm zu 532 nm konvertiert. Als qualitative Verbesserung im Vergleich zu Arbeiten anderer Gruppen zeigten wir erstmalig eine Quanten-nicht-Gaußsche Eigenschaft der konvertierten Photonen. Die Erfolge des Projekts haben die spektrale Bandbreite der potentiellen Anwendungen der Quantenmetrologie und der Quanteninformation deutlich erweitert. Das Forschungsergebnis der ersten Frequenzkonversion von gequetschten Vakuumzuständen wurde von den Editoren von Physical Review Letters besonders gewürdigt (Editors’ suggestion; http://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.112.073602).

Publications

• Quantum non-Gaussianity of frequency up-converted single photons, Optics Express 22, 22808 (2014)
  C. Baune, A. Schönbeck, A. Samblowski, J. Fiurášek, R. Schnabel
  
• Quantum Up-Conversion of Squeezed Vacuum States from 1550 to 532 nm, Phys. Rev. Lett. 112, 073602 (2014)
  C. E. Vollmer, C. Baune, A. Samblowski, T. Eberle, V. Händchen, J. Fiurášek, R. Schnabel
  
• Weak-signal conversion from 1550 to 532 nm with 84% efficiency, Opt. Lett. 39, 2979 (2014)
  A. Samblowski, C. E. Vollmer, C. Baune, J. Fiurášek, R. Schnabel
  
• Analysis of counting measurements on narrowband frequency up-converted single photons and the influence of heralding detector dead time, Phys. Rev. A 91, 013829 (2015)
  J. Fiurášek, C. Baune, A. Schönbeck, R. Schnabel