오늘날 양자얽힘 현상은 양자세계에서 발생하는 가장 독특한 현상이자 새롭게 도래하는 양자정보과학의 중요한 자원으로 여겨지고 있다. 양자 얽힘을 보이는 여러 시스템 중 자발매개하향 변환 과정(SPDC)을 통해 생성되는 얽힘 광원은 비교적 만들기 쉽고 통제가 용이해 광자를 기반으로 하는 양자정보처리과정에 매우 효과적이다. 본 논문에서는 SPDC 얽힘광원의 비고전적 성질에 대해 연구하고 이를 바탕으로 양자정보에 이용되는 효과적인 광원을 엔지니어링하는 방법을 소개한다.
얽힘 광원의 스펙트럼 특성은 스펙트럼의 자체의 얽힘 정도는 물론 광자가 가지고 있는 다른 ...
오늘날 양자얽힘 현상은 양자세계에서 발생하는 가장 독특한 현상이자 새롭게 도래하는 양자정보과학의 중요한 자원으로 여겨지고 있다. 양자 얽힘을 보이는 여러 시스템 중 자발매개하향 변환 과정(SPDC)을 통해 생성되는 얽힘 광원은 비교적 만들기 쉽고 통제가 용이해 광자를 기반으로 하는 양자정보처리과정에 매우 효과적이다. 본 논문에서는 SPDC 얽힘광원의 비고전적 성질에 대해 연구하고 이를 바탕으로 양자정보에 이용되는 효과적인 광원을 엔지니어링하는 방법을 소개한다.
얽힘 광원의 스펙트럼 특성은 스펙트럼의 자체의 얽힘 정도는 물론 광자가 가지고 있는 다른 자유도에 대한 얽힘에도 영향을 준다. 따라서 SPDC 광원을 효과적으로 다루기 위해서는 얽힘 광원의 스펙트럼 특성에 대한 정확한 이해와 이론적 모델, 실험적 측정에 대한 연구가 병행되어야 한다. 본 논문에서는 Type-I SPDC 과정으로 발생하는 얽힘광원의 스펙트럼 특성을 펌프광원의 선폭, 검출기의 위치등 다양한 실험조건에 대해 측정하고 분석한다.
광자를 기반으로 이용한 양자정보에서는 안정된 단일광자 상태를 준비하는 것이 필수적이다. 단일광자 상태를 만드는 여러 방법 중 SPDC 과정으로 생성된 광자쌍에서 하나의 광자를 트리거 신호로 사용하여 나머지 광자를 예고된 단일광자 상태로 준비하는 방법이 있다. 광자 기반의 양자정보 처리과정은 단일광자들간의 양자간섭을 이용하므로 단일광자의 파형은 정보처리의 과정의 질을 결정하는 중요한 변수가 된다. 본 논문에서는 단일광자 상태가 분산 매질을 통과하게 될 때 일어나는 단일광자 파형의 군속도 분산을 연구하고 광자쌍의 얽힘을 이용해 이를 비국소적으로 제어하는 방법을 소개한다. 또한 군속도 분산과 간섭현상을 이용해 단일광자 파형을 디자인하고 제어하는 새로운 방법을 소개한다.
얾힘광자쌍이 서로 독립적으로 분산 매질을 통과하면 하나의 광자가 겪는 분산을 그와 얽혀 있는 다른 광자가 겪는 분산에 의해 상쇄시키는 비국소적 분산상쇄가 가능해진다. 1992년 이론적 모델이 제시된 후, 이 현상은 실험적으로 증명되지 않았다. 본 논문에서는 SPDC 얽힘광원을 이용해 이를 처음으로 구현하고 고전적 광원과의 비교를 통해 이러한 현상이 얽힘광원만의 유일한 특성임을 증명한다. 제안된 아이디어는 얽힘광원을 이용한 광섬유 기반의 양자통신과 양자계량학에서 응용성이 클 것이라 예상된다.
본 논문의 후반부에서는 제안된 단일광자 광원과 얾힘광원이 양자정보 연구에 어떻게 이용될 수 있는지 알아본다. 고전 역학과 달리 양자 역학에서는 측정이라는 행위 자체가 측정 대상의 양자상태를 교란시키는 역할을 한다. 따라서 양자측정시 우리가 사용해야 할 전략은 측정을 통해 최대한 많은 정보를 얻어내면서 최소한의 상태교란을 측정하는 계에 주는 것이며 이를 최소교란측정이라 한다. 본 논문에서는 양자비트에 대한 최소교란양자 측정을 제안하고 선형광학계와 앞에서 소개된 단일광자를 이용해 실험적으로 구현한다.
양자정보는 양자비트뿐 아니라 다양한 차원의 양자상태에 저장이 될 수 있다. 다차원 양자상태는 양자비트에 비해 양자상태의 비고전적 현상을 연구하는데 효과적이고 양자통신에서 안전성이 높은 곳으로 증명되어 최근 활발히 연구가 되고 있다. 본 논문에서는 얽힘광자쌍을 이용해 사차원 양자상태를 디자인하고 분석하는 방법을 소개한다. 또한 다양한 종류의 선형 분할기를 이용해 여러 개의 사차원 양자상태의 얾힘을 생성하는 방법을 소개한다.
오늘날 양자얽힘 현상은 양자세계에서 발생하는 가장 독특한 현상이자 새롭게 도래하는 양자정보과학의 중요한 자원으로 여겨지고 있다. 양자 얽힘을 보이는 여러 시스템 중 자발매개하향 변환 과정(SPDC)을 통해 생성되는 얽힘 광원은 비교적 만들기 쉽고 통제가 용이해 광자를 기반으로 하는 양자정보처리과정에 매우 효과적이다. 본 논문에서는 SPDC 얽힘광원의 비고전적 성질에 대해 연구하고 이를 바탕으로 양자정보에 이용되는 효과적인 광원을 엔지니어링하는 방법을 소개한다.
얽힘 광원의 스펙트럼 특성은 스펙트럼의 자체의 얽힘 정도는 물론 광자가 가지고 있는 다른 자유도에 대한 얽힘에도 영향을 준다. 따라서 SPDC 광원을 효과적으로 다루기 위해서는 얽힘 광원의 스펙트럼 특성에 대한 정확한 이해와 이론적 모델, 실험적 측정에 대한 연구가 병행되어야 한다. 본 논문에서는 Type-I SPDC 과정으로 발생하는 얽힘광원의 스펙트럼 특성을 펌프광원의 선폭, 검출기의 위치등 다양한 실험조건에 대해 측정하고 분석한다.
광자를 기반으로 이용한 양자정보에서는 안정된 단일광자 상태를 준비하는 것이 필수적이다. 단일광자 상태를 만드는 여러 방법 중 SPDC 과정으로 생성된 광자쌍에서 하나의 광자를 트리거 신호로 사용하여 나머지 광자를 예고된 단일광자 상태로 준비하는 방법이 있다. 광자 기반의 양자정보 처리과정은 단일광자들간의 양자간섭을 이용하므로 단일광자의 파형은 정보처리의 과정의 질을 결정하는 중요한 변수가 된다. 본 논문에서는 단일광자 상태가 분산 매질을 통과하게 될 때 일어나는 단일광자 파형의 군속도 분산을 연구하고 광자쌍의 얽힘을 이용해 이를 비국소적으로 제어하는 방법을 소개한다. 또한 군속도 분산과 간섭현상을 이용해 단일광자 파형을 디자인하고 제어하는 새로운 방법을 소개한다.
얾힘광자쌍이 서로 독립적으로 분산 매질을 통과하면 하나의 광자가 겪는 분산을 그와 얽혀 있는 다른 광자가 겪는 분산에 의해 상쇄시키는 비국소적 분산상쇄가 가능해진다. 1992년 이론적 모델이 제시된 후, 이 현상은 실험적으로 증명되지 않았다. 본 논문에서는 SPDC 얽힘광원을 이용해 이를 처음으로 구현하고 고전적 광원과의 비교를 통해 이러한 현상이 얽힘광원만의 유일한 특성임을 증명한다. 제안된 아이디어는 얽힘광원을 이용한 광섬유 기반의 양자통신과 양자계량학에서 응용성이 클 것이라 예상된다.
본 논문의 후반부에서는 제안된 단일광자 광원과 얾힘광원이 양자정보 연구에 어떻게 이용될 수 있는지 알아본다. 고전 역학과 달리 양자 역학에서는 측정이라는 행위 자체가 측정 대상의 양자상태를 교란시키는 역할을 한다. 따라서 양자측정시 우리가 사용해야 할 전략은 측정을 통해 최대한 많은 정보를 얻어내면서 최소한의 상태교란을 측정하는 계에 주는 것이며 이를 최소교란측정이라 한다. 본 논문에서는 양자비트에 대한 최소교란양자 측정을 제안하고 선형광학계와 앞에서 소개된 단일광자를 이용해 실험적으로 구현한다.
양자정보는 양자비트뿐 아니라 다양한 차원의 양자상태에 저장이 될 수 있다. 다차원 양자상태는 양자비트에 비해 양자상태의 비고전적 현상을 연구하는데 효과적이고 양자통신에서 안전성이 높은 곳으로 증명되어 최근 활발히 연구가 되고 있다. 본 논문에서는 얽힘광자쌍을 이용해 사차원 양자상태를 디자인하고 분석하는 방법을 소개한다. 또한 다양한 종류의 선형 분할기를 이용해 여러 개의 사차원 양자상태의 얾힘을 생성하는 방법을 소개한다.
Quantum entanglement is one of the most striking features of quantum physics, and also one of the most useful quantum resources for quantum information processing. Among the many particles exhibiting entanglement, a pair of photons generated via spontaneous parametric down-conversion (SPDC) is known...
Quantum entanglement is one of the most striking features of quantum physics, and also one of the most useful quantum resources for quantum information processing. Among the many particles exhibiting entanglement, a pair of photons generated via spontaneous parametric down-conversion (SPDC) is known to be quite versatile quantum particles, which can be easily prepared and controlled. In this thesis, I have studied nonclassical nature of SPDC photon pairs and methods to engineer them for certain quantum information processing applications.
First, the basic concepts of quantum information and quantum entanglement are introduced. And I report the experimental and theoretical studies of the spectral properties of entangled photon pairs generated via frequency-degenerate and frequency-nondegenerate type-I SPDC. As the spectral properties of SPDC photons not only determine the amount of inherent entanglement but also affect on entanglement in other photonic degrees of freedom, this study is an essential step toward developing engineered two-photon entangled states.
Next, I demonstrate that a heralded single-photon waveform, conditionally prepared by detecting the trigger photon of the photon pair born in the process of SPDC, becomes broadened and chirped as the result of propagation through a single-mode fiber. The pulse-like broadening of single-photon waveform is shown to be controllable in a nonlocal way by spectrally filtering the trigger photon. By using pulse-like chirp broadening and interference effects, I also demonstrate temporal shaping of a heralded single-photon waveform and remote control of this effect.
For a pair of entangled photons, nonlocal dispersion cancellation in which the dispersion experienced by on photon cancels the dispersion experienced by the other photon is possible. For the first time, I have demonstrated this effect explicitly and these results have important applications in fiber-based quantum communication and quantum metrology.
Finally, I introduce two quantum information applications using engineered photon sources. As a first example, I use a heralded single-photon state for studying optimal quantum measurement, in which the information gain is maximal and measurement-induced state disturbance is minimal. I propose and demonstrate a linear optical device which deterministically performs optimal quantum measurement on a single-photon polarization qubit with the help of an ancillary path qubit introduced to the same photon.
As a second example, I use entangled photons pairs to build a high dimensional quantum state (qudit). I report experimental studies on preparation and characterization of a four-dimensional qudits (ququarts) using ultrafast-pumped frequency-nondegenerate spontaneous parametric down-conversion. I have also proposed a scalable linear optical schemes for generating entangled states of multiple ququarts.
Quantum entanglement is one of the most striking features of quantum physics, and also one of the most useful quantum resources for quantum information processing. Among the many particles exhibiting entanglement, a pair of photons generated via spontaneous parametric down-conversion (SPDC) is known to be quite versatile quantum particles, which can be easily prepared and controlled. In this thesis, I have studied nonclassical nature of SPDC photon pairs and methods to engineer them for certain quantum information processing applications.
First, the basic concepts of quantum information and quantum entanglement are introduced. And I report the experimental and theoretical studies of the spectral properties of entangled photon pairs generated via frequency-degenerate and frequency-nondegenerate type-I SPDC. As the spectral properties of SPDC photons not only determine the amount of inherent entanglement but also affect on entanglement in other photonic degrees of freedom, this study is an essential step toward developing engineered two-photon entangled states.
Next, I demonstrate that a heralded single-photon waveform, conditionally prepared by detecting the trigger photon of the photon pair born in the process of SPDC, becomes broadened and chirped as the result of propagation through a single-mode fiber. The pulse-like broadening of single-photon waveform is shown to be controllable in a nonlocal way by spectrally filtering the trigger photon. By using pulse-like chirp broadening and interference effects, I also demonstrate temporal shaping of a heralded single-photon waveform and remote control of this effect.
For a pair of entangled photons, nonlocal dispersion cancellation in which the dispersion experienced by on photon cancels the dispersion experienced by the other photon is possible. For the first time, I have demonstrated this effect explicitly and these results have important applications in fiber-based quantum communication and quantum metrology.
Finally, I introduce two quantum information applications using engineered photon sources. As a first example, I use a heralded single-photon state for studying optimal quantum measurement, in which the information gain is maximal and measurement-induced state disturbance is minimal. I propose and demonstrate a linear optical device which deterministically performs optimal quantum measurement on a single-photon polarization qubit with the help of an ancillary path qubit introduced to the same photon.
As a second example, I use entangled photons pairs to build a high dimensional quantum state (qudit). I report experimental studies on preparation and characterization of a four-dimensional qudits (ququarts) using ultrafast-pumped frequency-nondegenerate spontaneous parametric down-conversion. I have also proposed a scalable linear optical schemes for generating entangled states of multiple ququarts.
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