2020S 704710 Seminar mit Bachelorarbeit

Themenauswahl aus dem Forschungsgebiet Photonik

Betreuung: Robert Chapman (RC), Stefan Frick (SF), Robert Keil (RK)Gregor Weihs (GW)

Die Themen können entweder nur auf der Basis von Fachliteratur oder mit eigener experimenteller bzw. computerunterstützter Komponente bearbeitet werden. Für letzere Variante ist es sehr ratsam das Laborpraktikum der Experimentalphysik: Optik (704718/704727) zusätzlich zu belegen, entsprechend drei Wochen Vollzeit Arbeit im Labor. Ansonsten kann der Zeitaufwand für die Bachelorarbeit kaum bewältigt werden. Wir empfehlen, das Laborpraktikum, bzw. die Bachelorarbeit nach Absprache mit dem Betreuer bereits in den Semesterferien zu beginnen.

Update 24.2.2020: Für dieses Jahr sind alle Themen/Betreuer vergeben.

B1 Dynamische Lichtstreuung (GW)

Die Streuung von Licht an vielen kleinen Streuzentren wird in der statistischen Physik eingesetzt um Diffussionsprozesse zu erforschen. Eine einfach Variante davon mit einer rotierenden Streuscheibe lässt sich gut quantenoptisch untersuchen. Thermisches Licht aus Lampen hat meist zu kurze Kohärenzzeit um die thermische Photonenstatistik mit üblichen Einzelphotonendetektoren messen zu können. Als Alternative kann man pseudothermisches Licht durch Streuung an einer rotierenden Streuscheibe herstellen. In der Bachelorarbeit soll die Kohärenz und Photonenstatistik dieses pseudothermischen Lichts untersucht werden.

 

B2 Zweiphotoneninterferenz (RK)

Photonen sind die Quanten des Lichts. Sie sind stabil und lassen sich problemlos über weite Strecken übertragen. Allerdings beeinflussen sich Photonen als neutrale Teilchen normalerweise nicht gegenseitig. Eine indirekte Wechselwirkung durch Interferenz ist jedoch möglich. Dies wurde zuerst im Experiment von Hong, Ou und Mandel gezeigt: Zwei identische Photonen treffen von zwei Seiten auf einen Strahlteiler und verlassen diesen immer gemeinsam, obwohl jedes Photon für sich zwei mögliche Ausgangswege zur Verfügung hätte [1]. Dieser Interferenzeffekt resultiert aus der bosonischen Austauschstatistik der Photonen und kann unter anderem für die Quanteninformationsverarbeitung ausgenutzt werden.

In dieser Bachelorarbeit soll zunächst die zu Grunde liegende Physik der Interferenz zweier Photonen studiert und zusammengefasst werden. Anschließend kann entweder der Hong-Ou-Mandel Effekt in unserem Labor untersucht oder eine vertiefende Literaturstudie zu ähnlichen Prozessen mit mehreren Photonen vorgenommen werden [2].

  1. C. K. Hong, Z. Y. Ou und L. Mandel, Measurement of Subpicosecond Time Intervals between Two Photons by Interference, Phys. Rev. Lett., 59, 2044 (1987), https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.59.2044.
  2. M. C. Tichy, Interference of identical particles from entanglement to boson-sampling, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys., Bd. 47, 103001 (2014), https://doi.org/10.1088/0953-4075/47/10/103001.

 

B3 Time-bin quantum states (RC)

Encoding quantum information in the arrival time of single photons is a robust method for long-distance quantum communication over optical fibre. Quantum bits (qubits) are encoded in “early” or “late” time-bins, which corresponds to transmitting “0” or “1”, with a few nanoseconds time-difference. In order to characterise the phase of the qubit, it is necessary to interfere the early and late components in a time-bin (or Franson) interferometer.

In this bachelor thesis, the theory of time-bin encoding will first be studied and summarised. An existing free-space optics time-bin interferometer will then reconfigured and classically characterised using a pulsed laser and fast photodiodes.

  1. Chen, H. et al. Time-bin entangled photon pairs from Bragg-reflection waveguides. APL Photonics 3, 080804 (2018), https://doi.org/10.1063/1.5038186
  2. Vedovato, F. et al. Postselection-Loophole-Free Bell Violation with Genuine Time-Bin Entanglement. Phys. Rev. Lett. 121, 190401 (2018), https://arxiv.org/abs/1804.10150

B4 Quanteneigenschaften von Photonenpaarquellen (SF)

Einzelne Lichtteilchen (Photonen) sind ein elementarer Baustein in quanten-optischen Experimenten. Diese werden oft als Photonenpaarquellen realisiert. In dieser Art von Lichtquelle wird ein einzelnes Photon eines Pumplaserstrahls zerstört und gleichzeitig wird ein Photonenpaar mit längerer Wellenlänge erzeugt.

Trennt man dieses Photonpaar räumlich, bestimmt die Detektion des ersten Partners die Anwesenheit des zweiten Partners. Dieser zweite Arm des Experiments befindet sich dann in einem Einzelphotonenzustand und kann als solcher in quanten-optischen Anwendung verwendet werden. Dieser Quantenzustand ist ausgezeichnet durch die Abnahme der Autokorrelationsfunktion zweiter Ordnung [1-3].

Vernachlässigt man jedoch den ersten Partner zeichnet die Autokorrelationsfunktion ein anderes Bild: Der Zustand erscheint thermisch, manifestiert durch eine Zunahme der Autokorrelation [4].

Thema dieser Bachelorarbeit ist es diese fundamentale Quanteneigenschaft von Photonenpaarquellen zu untersuchen. 

  1. Hambury Brown, R., & Twiss, R. Q. (1994). Correlation between photons in two coherent beams of light. Journal of Astrophysics and Astronomy, 15(1), 13–19. https://doi.org/10.1007/BF03010401
  2. Bocquillon, E., Couteau, C., Razavi, M., Laflamme, R., & Weihs, G. (2009). Coherence measures for heralded single-photon sources. Physical Review A - Atomic, Molecular, and Optical Physics, 79(3), 1–4. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.79.035801
  3. Razavi, M., Söllner, I., Bocquillon, E., Couteau, C., Laflamme, R., & Weihs, G. (2009). Characterizing heralded single-photon sources with imperfect measurement devices. Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, 42(11).https://doi.org/10.1088/0953-4075/42/11/114013
  4. Blauensteiner, B., Herbauts, I., Bettelli, S., Poppe, A., & Hübel, H. (2009). Photon bunching in parametric down-conversion with continuous-wave excitation. Physical Review A - Atomic, Molecular, and Optical Physics, 79(6), 1–6. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.79.063846
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