Disertační práce je založena na pěti originálních publikacích a shrnuje hlavní experimentální výsledky.
První realizovaný experiment testoval využití elektro-optické dopředné vazby pro zvýšení pravděpodobnosti úspěchu lineárně optických hradel. Experimentální výsledky ukázaly, že dopředná vazba zdvojnásobila pravděpodobnost úspěchu lineárně-optického programovatelného kvantového fázového hradla aniž by ovlivnila kvalitu dosažených výsledků. Koncept zavedení podmíněné operace pomocí dopředné vazby byl úspěšně aplikován i v dalších realizovaných experimentech.
Následující experimenty se zabývaly přenosem kvantového stavu a rozlišovacími strategiemi. Bylo sestrojeno experimentální zařízení pro bezchybné rozlišení dvou optických paměťových záznamů reprezentovaných dvěma děliči svazku s navzájem různými odrazivostmi. Realizované zařízení využívalo nejmenší možné energie, v průběhu měření byl paměťový záznam vystaven v průměru pouze zlomku energie jednoho fotonu. Následným projektem byla experimentální realizace optimálního rozlišení dvou známých projektivních kvantových měření pomocí kvantově provázaného stavu. Výsledná experimentální data jasně demonstrovala výhodu rozlišovací strategie využívající dvě kvantově provázané částice v porovnání se strategií využívající pouze jeden kvantový bit.
Dále byl realizován experiment pro přenos stavu kvantového bitu. Experiment byl využit k ověření nově navržené, přímo měřitelné míry efektivní nerozlišitelnosti částic, která určuje reálnou hranici kvality přenosu kvantového stavu. Zároveň jsme tuto míru porovnali s běžně užívaným překryvem stavů, i když překryv stavů lze použít pouze tehdy, jsou-li tyto částice ve faktorizovaném stavu. Výsledky experimentu potvrdily, že částice mohou sloužit pro přenos kvantové informace, i když jsou jejich další stupně volnosti provázané. Posledním realizovaným experimentem byl přenos neznámého kvantového stavu mezi dvěma vzájemně slabě interagujícími částicemi. Přenosu kvantového stavu bylo dosaženo vhodným měřením fotonu, který nesl neznámý kvantový stav, v kombinaci s aplikací filtrace na stav cílového fotonu. Optimální filtrace závisí na vzájemné interakci částic, na výsledku měření a na původním stavu částice, na niž je neznámý stav přenášen.
Annotation in English
This Thesis is based on five original publications and concludes main experimental results.
Firstly, we experimentally verify the possibility of increasing success probability of linear optical quantum gates utilizing an electro-optical feed-forward loop. We find out that the loop doubles the success probability of linear-optical programmable quantum phase gate. Moreover, any gate parameters like a fidelity, purity etc. are not influenced. The concept of a conditionally applied operation via the feed-forward loop is successfully implemented into other experiments.
Further publications deal with quantum state transfer and discrimination tasks. We experimentally implement a device for perfect discrimination of two optical memory records which are represented by two beam splitters with different splitting ratios. For discrimination, this device utilizes in average less than fraction of a single photon energy. Further, we experimentally implement the device for optimal discrimination of two known projective single-qubit quantum measurements. The experimental results clearly confirm the advantage of the proposed more demanding entanglement-assisted discrimination scheme compared to a single-qubit probe scheme.
A quantum state transfer is experimentally realized to examine particle properties. A new measure of particles' effective indistinguishability directly determines the fidelity of the transferred state. We compare it with commonly used overlap of quantum states of particles, which is defined only for factorable states. The experimental results confirm that even if some noninformational degrees of freedom of two particles are entangled, the particles can still serve as good carriers of qubits. Finally, we experimentally realize a faithful unidirectional qubit state transfer between two weakly interacting photonic qubits. The qubit state transfer is achieved by a combination of a suitable measurement on the unknown qubit and a quantum filtering on the target qubit. The filtering depends on the initial target-qubit state and on the outcome of the measurement applied on the unknown qubit.
Quantum optics experiments, linear optics, fibre optics, quantum information processing, electro-optical feed-forward loop, integrated electro-optical phase modulator, photons, Mach-Zehnder interferometer, sequential active phase stabilization.
Length of the covering note
137
Language
AN
Annotation
Disertační práce je založena na pěti originálních publikacích a shrnuje hlavní experimentální výsledky.
První realizovaný experiment testoval využití elektro-optické dopředné vazby pro zvýšení pravděpodobnosti úspěchu lineárně optických hradel. Experimentální výsledky ukázaly, že dopředná vazba zdvojnásobila pravděpodobnost úspěchu lineárně-optického programovatelného kvantového fázového hradla aniž by ovlivnila kvalitu dosažených výsledků. Koncept zavedení podmíněné operace pomocí dopředné vazby byl úspěšně aplikován i v dalších realizovaných experimentech.
Následující experimenty se zabývaly přenosem kvantového stavu a rozlišovacími strategiemi. Bylo sestrojeno experimentální zařízení pro bezchybné rozlišení dvou optických paměťových záznamů reprezentovaných dvěma děliči svazku s navzájem různými odrazivostmi. Realizované zařízení využívalo nejmenší možné energie, v průběhu měření byl paměťový záznam vystaven v průměru pouze zlomku energie jednoho fotonu. Následným projektem byla experimentální realizace optimálního rozlišení dvou známých projektivních kvantových měření pomocí kvantově provázaného stavu. Výsledná experimentální data jasně demonstrovala výhodu rozlišovací strategie využívající dvě kvantově provázané částice v porovnání se strategií využívající pouze jeden kvantový bit.
Dále byl realizován experiment pro přenos stavu kvantového bitu. Experiment byl využit k ověření nově navržené, přímo měřitelné míry efektivní nerozlišitelnosti částic, která určuje reálnou hranici kvality přenosu kvantového stavu. Zároveň jsme tuto míru porovnali s běžně užívaným překryvem stavů, i když překryv stavů lze použít pouze tehdy, jsou-li tyto částice ve faktorizovaném stavu. Výsledky experimentu potvrdily, že částice mohou sloužit pro přenos kvantové informace, i když jsou jejich další stupně volnosti provázané. Posledním realizovaným experimentem byl přenos neznámého kvantového stavu mezi dvěma vzájemně slabě interagujícími částicemi. Přenosu kvantového stavu bylo dosaženo vhodným měřením fotonu, který nesl neznámý kvantový stav, v kombinaci s aplikací filtrace na stav cílového fotonu. Optimální filtrace závisí na vzájemné interakci částic, na výsledku měření a na původním stavu částice, na niž je neznámý stav přenášen.
Annotation in English
This Thesis is based on five original publications and concludes main experimental results.
Firstly, we experimentally verify the possibility of increasing success probability of linear optical quantum gates utilizing an electro-optical feed-forward loop. We find out that the loop doubles the success probability of linear-optical programmable quantum phase gate. Moreover, any gate parameters like a fidelity, purity etc. are not influenced. The concept of a conditionally applied operation via the feed-forward loop is successfully implemented into other experiments.
Further publications deal with quantum state transfer and discrimination tasks. We experimentally implement a device for perfect discrimination of two optical memory records which are represented by two beam splitters with different splitting ratios. For discrimination, this device utilizes in average less than fraction of a single photon energy. Further, we experimentally implement the device for optimal discrimination of two known projective single-qubit quantum measurements. The experimental results clearly confirm the advantage of the proposed more demanding entanglement-assisted discrimination scheme compared to a single-qubit probe scheme.
A quantum state transfer is experimentally realized to examine particle properties. A new measure of particles' effective indistinguishability directly determines the fidelity of the transferred state. We compare it with commonly used overlap of quantum states of particles, which is defined only for factorable states. The experimental results confirm that even if some noninformational degrees of freedom of two particles are entangled, the particles can still serve as good carriers of qubits. Finally, we experimentally realize a faithful unidirectional qubit state transfer between two weakly interacting photonic qubits. The qubit state transfer is achieved by a combination of a suitable measurement on the unknown qubit and a quantum filtering on the target qubit. The filtering depends on the initial target-qubit state and on the outcome of the measurement applied on the unknown qubit.
Quantum optics experiments, linear optics, fibre optics, quantum information processing, electro-optical feed-forward loop, integrated electro-optical phase modulator, photons, Mach-Zehnder interferometer, sequential active phase stabilization.
Research Plan
Využití kvantové optiky, konkrétně uspořádaní využívajících lineárně optických prvků,entanglovaných fotonů, elektronické dopředné vazby apod., pro realizaci kvantových hradel a operací vhodných pro kvantové zpracování nebo přenos informace. Experimenty budou realizovány jak pomocí objemové, tak vláknové optiky. Informace bude kódovaná do polarizačních, prostorových nebo i jiných stupňů volnosti fotonů. Součástí práce bude i konstrukce zdrojů entanglovaných fotonů založených na sestupné parametrické konverzi čerpané kontinuálním nebo pulzním laserem. Hlavnim cilem je experimentalni implementace novych linearne optickych kvantovych hradel a studium vlivu prostredi, sumu a vlastnosti vstupnich stavu fotonu na fungovani hradel a kvalitu prenosu kvantove informace
Research Plan
Využití kvantové optiky, konkrétně uspořádaní využívajících lineárně optických prvků,entanglovaných fotonů, elektronické dopředné vazby apod., pro realizaci kvantových hradel a operací vhodných pro kvantové zpracování nebo přenos informace. Experimenty budou realizovány jak pomocí objemové, tak vláknové optiky. Informace bude kódovaná do polarizačních, prostorových nebo i jiných stupňů volnosti fotonů. Součástí práce bude i konstrukce zdrojů entanglovaných fotonů založených na sestupné parametrické konverzi čerpané kontinuálním nebo pulzním laserem. Hlavnim cilem je experimentalni implementace novych linearne optickych kvantovych hradel a studium vlivu prostredi, sumu a vlastnosti vstupnich stavu fotonu na fungovani hradel a kvalitu prenosu kvantove informace
Recommended resources
Nielsen M. A., Chuang, I. L.: Quantum Computation and Quantum Information. Cambridge University Press, 2000.
Mandel, L.; Wolf, E.: Optical Coherence and Quantum Optics. Cambridge Univ. Press, Cambridge, 1995.
Dušek M.: Koncepční otázky kvantové teorie. UP, Olomouc, 2002.
Peres A.: Quantum Theory: Concepts and Methods. Kluwer, Dordrecht, 1996.
Recommended resources
Nielsen M. A., Chuang, I. L.: Quantum Computation and Quantum Information. Cambridge University Press, 2000.
Mandel, L.; Wolf, E.: Optical Coherence and Quantum Optics. Cambridge Univ. Press, Cambridge, 1995.
Dušek M.: Koncepční otázky kvantové teorie. UP, Olomouc, 2002.
Peres A.: Quantum Theory: Concepts and Methods. Kluwer, Dordrecht, 1996.