Nuevas tecnologías en fuentes de luz no clásicas con aplicación en metrología cuántica : mediciones de la transmisión de una muestra

Magnoni, Agustina Gabriela

Registro:

Documento:	Tesis Doctoral
Título:	Nuevas tecnologías en fuentes de luz no clásicas con aplicación en metrología cuántica : mediciones de la transmisión de una muestra
Título alternativo:	New technologies in non-classical light sources with applications in quantum metrology : measurements of the transmission of a sample
Autor:	Magnoni, Agustina Gabriela
Editor:	Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Filiación:	Instituto de Investigaciones Científicas y Técnicas para la Defensa (CITEDEF). Departamento Investigaciones en Láseres y Aplicaciones (DEILAP). Laboratorio de Óptica Cuántica
Publicación en la Web:	2023-07-03
Fecha de defensa:	2022-10-13
Fecha en portada:	2022
Grado Obtenido:	Doctorado
Título Obtenido:	Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el área de Ciencias Físicas
Director:	Larotonda, Miguel Antonio
Consejero:	Roncaglia, Augusto José
Jurado:	Iemmi, Claudio César; Rebón, Lorena; Torga, Jorge Román
Idioma:	Español
Palabras clave:	OPTICA CUANTICA; METODOLOGIA CUANTICA; FUENTES DE FOTONES INDIVIDUALES; ESTADOS DE FOCK; FUENTES DE HACES GEMELOS; SKIPPER-CCD; ESTIMACION DE TRANSMISION; LIMITE CLASICO DE PRECISIONQUANTUM OPTICS; QUANTUM METROLOGY; SINGLE PHOTON SOURCES; FOCK STATES; TWIN BEAM SOURCES; SKIPPER-CCD; TRANSMISSION ESTIMATION; SHOT-NOISE LIMIT
Formato:	PDF
Handle:	http://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7310_Magnoni
PDF:	https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/download/tesis/tesis_n7310_Magnoni.pdf
Registro:	https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/collection/tesis/document/tesis_n7310_Magnoni
Ubicación:	Dep.FIS 007310
Derechos de Acceso:	Esta obra puede ser leída, grabada y utilizada con fines de estudio, investigación y docencia. Es necesario el reconocimiento de autoría mediante la cita correspondiente. Magnoni, Agustina Gabriela. (2022). Nuevas tecnologías en fuentes de luz no clásicas con aplicación en metrología cuántica : mediciones de la transmisión de una muestra. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de http://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7310_Magnoni

Resumen:

En este trabajo de Tesis se estudiaron teórica y experimentalmente dos fuentes de luz con características cuánticas: una fuente de fotones individuales, denominada BinMux, y una fuente de haces gemelos o twin-beams. Estas se basan en el proceso cuántico de generación de pares de fotones por conversión paramétrica descendente (SPDC), utilizando como recurso el entrelazamiento en el número de fotones del estado bipartito de salida. El objetivo es utilizar las correlaciones presentes en los fotones para, en el primer caso, modificar la estadística de emisión convirtiéndola en una distribución sub-poissoniana. Esta reducción en la dispersión de la variable aleatoria número de fotones permite traspasar límites clásicos de precisión (shot-noise limit) en la estimación de parámetros que interactúen con ese grado de libertad, como por ejemplo la transmisión óptica de una muestra. En el segundo caso, se busca diseñar una disposición experimental que detecte ambos haces y preserve de la mejor manera posible la correlación espacial entre ellos, para luego utilizar uno como referencia y otro como prueba en un experimento de estimación de parámetros, que también supere los límites clásicos de precisión. En el caso de la fuente BinMux, se propuso y estudió la adición de un sistema de multiplexado temporal a la etapa de generación de pares. El efecto es el de aumentar la probabilidad de obtener un fotón único a la salida, disminuyendo tanto los pulsos vacíos como los multifotónicos. Esto se realiza utilizando la información temporal de uno de los dos fotones para elegir el camino que el otro debe atravesar, imponiendo así un retardo temporal específico que sincronice la salida con cada período de un reloj externo. Se construyó el modelo teórico de la estadística de emisión de la fuente, comprobando su fuerte característica sub-poissoniana. Los resultados muestran que, para un determinado conjunto de parámetros, se puede aumentar la relación señal-ruido en un factor 8 comparado al caso de una fuente poissoniana del mismo brillo. El modelo estadístico representa una herramienta fuerte para describir el desempeño de la fuente con diferentes componentes ópticos. Asimismo, se realizó la implementación experimental en el laboratorio, en la que se midió la mejora en la estadística de emisión al incorporar la etapa de multiplexado. En el caso de la fuente de haces gemelos o twin-beams, se diseñó una configuración experimental con detección basada en sensores Skipper-CCD, un novedoso detector con la capacidad de medir la carga de cada píxel de manera no destructiva. Esta propiedad implica, tener resolución de número de fotones para longitudes de onda del infrarrojo cercano. Incorporar este sensor ayuda a reducir la relación señal-ruido de los fotones detectados, especialmente en un régimen de intensidad bajo, en donde el error de lectura es significativo en términos relativos. La implementación experimental conllevó la puesta en modo operativo de uno de los dos únicos sensores Skipper-CCD de la Argentina, en la primer aplicación en óptica cuántica de los detectores a nivel mundial, y permitió detectar anillos de SPDC tipo II y realizar un estudio preliminar de las correlaciones presentes. Asimismo, se estudió de manera teórica el potencial desempeño de la fuente de fotones individuales en un experimento de metrología cuántica, específicamente en la estimación de la transmisión de una muestra. Esto se realizó tanto para detección con resolución de número de fotones como para detección de umbral, aprovechando la emisión de fotones individuales de la fuente. Este estudio tuvo como resultado la posibilidad de obtener ventaja cuántica en la precisión con la que puede estimarse la transmisión, en todo el rango de valores posible y con ambos tipos de detectores. Los factores de mejora dependen de la intensidad media incidente sobre la muestra y del valor real de la transmitancia que se busca estimar. En el caso con resolución de número, la estimación es no sesgada, lo que implica que puede reducirse la incerteza relativa todo lo que se desee al realizar repeticiones del experimento, y los factores de mejora que pueden alcanzarse llegan a ser de hasta 1.6, lo que implica una mejora del 60 %. En el caso de la detección de umbral, la estimación presenta un sesgo debido a la componente multifotónica de la emisión, pero aún así presenta ventajas cuánticas que pueden arrojar factores de mejora de hasta 2.2 manteniendo un error relativo tan bajo como el 5 %. Sin embargo, en este caso no puede reducirse la incerteza relativa de manera arbitraria con el número de repeticiones. Los experimentos realizados en esta Tesis colaboran con el desarrollo de nuevas tecnologías cuánticas de diseño específico en el ámbito local, que presentan mucho potencial en el área de metrología cuántica.

Abstract:

In this Thesis, two non-classical light sources were studied theoretically and experimentally: a source of single photons, dubbed BinMux, and source of twin beams. These are based on the quantum process of generating photon pairs by Spontaneous Parametric Downconversion (SPDC), using the entanglement in the number of photons of the bipartite output state as a resource. The objective of this work is twofold: One of the goals is to take advantage of the correlations that are present in the photon generation to alter the classical photon statistics present on each of the downconverted beams to obtain a sub-poissonian light source. Such reduction in the dispersion of the random variable “number of photons” allows us to go beyond classic precision limits (shot-noise limit) in the estimation of parameters that interact with this degree of freedom, such as the optical transmission of a sample. Besides, the second objective is to design an experimental arrangement that detects both beams and preserves the correlation between them in the best possible way, so that both beams can be later used as a probe and reference in a parameter estimation experiment that also exceeds the classical limits of precision. In the case of the BinMux source, the addition of a temporal multiplexing system that is combined with the pair generation is proposed and studied. The effect is to increase the probability of obtaining a single photon at the output, decreasing both the empty and multiphoton pulses. This is done by using the temporal information of one of the two photons to choose the path that the other must travel, thus imposing a specific time delay that synchronizes the output with the tick of an external clock. The theoretical model of the emission statistics of the source was also built, verifying its strong subpoissonian characteristic. The results show that the signal-to-noise ratio can be increased by a factor of 8 compared to the case of a poissonian source of the same brightness. The developed statistical model represents a strong tool to describe the performance of the source with different optical components. Finally, the experimental implementation was carried out in the laboratory, in which the improvement in emission statistics was measured by incorporating the multiplexing stage. In the case of the twin beams source, an experimental configuration with Skipper-CCD detection was designed; this is a novel kind of detector that allows to non-destructively measure the charge of each pixel. This property implies, for near-infrared wavelengths, having photon number resolution. Such sensor helps to reduce the signal-to-noise ratio of the detected photons, especially in a low intensity regime, where the readout error is significant in relative terms. The experimental implementation implied the set-up of one of the two Skipper-CCD sensors located in Argentina, in the first effort on a global scale for using them in a quantum optics experiment. This allowed for the imaging detection of type II SPDC rings and a preliminary study of the correlations present in the system. Additionaly, the potential performance of the single-photon BinMux source in a quantum metrology experiment was studied theoretically, specifically in the estimation of the transmission of a sample. This was done for both photon number resolution detection and for threshold detection, exploiting the emission of single photons from the source. This study resulted in the possibility of obtaining quantum advantage in the precision of the transmission estimation over the entire range of possible values and with both types of detection. The improvement factors depend on the average intensity incident on the sample and the actual value of the transmittance that is sought to be estimated. In the case with number resolution, the estimation is unbiased, which implies that the relative uncertainty can be reduced as much as desired with an increasing number of repetitions, and the improvement factors that can be achieved reach 1.6 times the SNL. In the case of threshold detection, the estimation presents a bias due to the multiphoton component of the emission, but it still presents quantum advantage with enhancement factors of up to 2.2 while maintaining a low relative error of 5 %. However, due to the bias, in this case the relative uncertainty cannot be reduced arbitrarily with the number of repetitions. The experiments carried out in this Thesis contribute to the local development of new quantum technologies of specific design, which are expected have great potential in the area of quantum metrology.

Citación:

---------- APA ----------

Magnoni, Agustina Gabriela. (2022). Nuevas tecnologías en fuentes de luz no clásicas con aplicación en metrología cuántica : mediciones de la transmisión de una muestra. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7310_Magnoni

---------- CHICAGO ----------

Magnoni, Agustina Gabriela. "Nuevas tecnologías en fuentes de luz no clásicas con aplicación en metrología cuántica : mediciones de la transmisión de una muestra". Tesis Doctoral, Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, 2022.https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7310_Magnoni

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