Efficient single-photon emission with high indistinguishability using strong light-matter coupling
| datacite.contributor.RelatedPerson | Θανόπουλος, Ιωάννης | |
| datacite.contributor.Supervisor | Τερζής, Ανδρέας | |
| datacite.contributor.Supervisor | Πασπαλάκης, Εμμανουήλ | |
| dc.contributor.author | Διαβολίτσης, Νικόλαος | |
| dc.contributor.other | Diavolitsis, Nikolaos | |
| dc.date.accessioned | 2024-07-10T10:58:37Z | |
| dc.date.available | 2024-07-10T10:58:37Z | |
| dc.date.issued | 2024-07-09 | |
| dc.degree | masterThesis | |
| dc.description.abstract | The goal of this thesis is to explore and develop efficient methods for generating indistinguishable single photons. By examining quantum emitters strongly coupled to either singlemode cavities or plasmonic nanostructures, the dynamics and interactions that lead to single photon efficient generation with high degree of indistinguishability are investigated. This study begins with the theoretical background, introducing the JaynesCummings Hamiltonian and the Lindblad equation, which are essential for understanding the systemreservoir interaction in open quantum systems. Then we show how the photon indistinguishability can be achieved and quantified. Finally, using the quantum regression theorem, the correlation functions which are useful for the calculation of the indistinguishability are derived. This investigation includes both coherent and incoherent coupling regimes, revealing how different parameters, such as coupling strength and cavity decay rate, affect the efficiency and indistinguishability of the emitted photons. Numerical and detailed analytical methods are used to calculate the efficiency and the degree of indistinguishability, providing a comprehensive understanding of the factors that influence photon emission. The obtained results show that high photon indistinguishability and efficiency are achievable under specific conditions. For instance, in the case of a quantum emitter coupled to a plasmonic nanostructure, it is found that under the quasistatic approximation, the system is mathematically identical to the simpler system of a quantum emitter coupled to a leaky cavity. Using the results obtained for the quantum emitter leaky cavity case, it is shown that the more complex, quantum emitter and a plasmonic nanostructure system can produce highly indistinguishable photons with efficiency close to unity under optimal conditions. Additionally, the impact of pure dephasing on photon indistinguishability are analyzed. The findings of this thesis contribute to the advancement of quantum optics and quantum technologies, providing a foundation for developing practical quantum light sources for future technologies. | |
| dc.description.translatedabstract | Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η διερεύνηση και η ανάπτυξη αποτελεσματικών μεθόδων για την παραγωγή μονοφωτονίων με μεγάλη μη-διακρισιμότητα. Μελετούμε κβαντικούς εκπομπούς που βρίσκονται είτε σε μια κοιλότητα ενός τρόπου ταλάντωσης είτε είναι συζευγμένοι με πλασμονικές νανοδομές, και διερευνούμε τη δυναμική και τις αλληλεπιδράσεις που οδηγούν σε αποδοτική παραγωγή μονοφωτονίων με υψηλό βαθμό μη-διακρισιμότητας. Η μελέτη αυτή ξεκινά με το θεωρητικό υπόβαθρο, εισάγοντας την Χαμιλτονιανή των Jaynes-Cummings και την εξίσωση Lindblad, οι οποίες είναι απαραίτητες για την κατανόηση των αλληλεπιδράσεων σε κοιλότητες και ειδικότερα σε ανοικτά κβαντικά συστήματα. Στη συνέχεια παρουσιάζουμε πως μπορεί να επιτευχθεί και να ποσοτικοποιηθεί η μη-διακρισιμότητα των φωτονίων. Τέλος, χρησιμοποιώντας το θεώρημα της κβαντικής παλινδρόμησης, υπολογίζουμε τις συναρτήσεις συσχέτισης, οι οποίες είναι χρήσιμες για τον υπολογισμό της απόδοσης και του βαθμού μη-διακρισιμότητας των φωτονίων. Η ανάλυση αυτή περιλαμβάνει τόσο περιοχές σύμφωνης όσο και μη-σύμφωνης σύζευξης, και ξεκαθαρίζει πώς διαφορετικές παράμετροι, όπως η ισχύς της σύζευξης και ο ρυθμός απόσβεσης της κοιλότητας, επηρεάζουν την απόδοση και το βαθμό μη-διακρισιμότητας των εκπεμπόμενων φωτονίων. Στην εργασία χρησιμοποιούνται αριθμητικές και κυρίως λεπτομερείς αναλυτικές μέθοδοι για τον υπολογισμό της απόδοσης και του βαθμού μη-διακρισιμότητας φωτονίων, παρέχοντας μια ολοκληρωμένη κατανόηση των παραγόντων που επηρεάζουν την εκπομπή φωτονίων. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν δείχνουν ότι είναι δυνατή η επίτευξη εκπομπής μονοφωτονίων υψηλής μη-διακρισιμότητας και απόδοσης υπό συγκεκριμένες συνθήκες. Για παράδειγμα, στην περίπτωση ενός κβαντικού εκπομπού σε σύζευξη με μια πλασμονική νανοδομή, διαπιστώνεται ότι υπό την ημι-στατική προσέγγιση, το σύστημα είναι μαθηματικά πανομοιότυπο με το απλούστερο σύστημα ενός κβαντικού εκπομπού σε σύζευξη με μια κοιλότητα με απώλειες. Χρησιμοποιώντας τα αποτελέσματα που προέκυψαν για την περίπτωση κβαντικού εκπομπού - κοιλότητας, αποδεικνύεται ότι το πιο σύνθετο σύστημα κβαντικού εκπομπού και πλασμονικής νανοδομής μπορεί να παράγει εξαιρετικά μη-διακρίσιμα φωτόνια με απόδοση κοντά στη μονάδα υπό βέλτιστες συνθήκες. Επιπλέον, αναλύονται οι επιπτώσεις του φαινομένου καθαρής αποσυμφωνίας στην απόδοση και μη-διακρισιμότητα των φωτονίων. Τα ευρήματα της παρούσας εργασίας συμβάλλουν στην πρόοδο της κβαντικής οπτικής και της κβαντικής τεχνολογίας, παρέχοντας μια βάση για την ανάπτυξη πρακτικών κβαντικών πηγών φωτός για μελλοντικές τεχνολογίες. | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/10889/27510 | |
| dc.language.iso | en | |
| dc.rights | Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 United States | en |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/us/ | |
| dc.subject | Cavity quantum electrodynamic | |
| dc.subject | Quantum emitter | |
| dc.subject | Light-matter interaction | |
| dc.subject | Strong coupling | |
| dc.subject | Single photon | |
| dc.subject | Lindblad equation | |
| dc.subject | Quantum regression theorem | |
| dc.subject | Photon indistinguishability | |
| dc.subject | Plasmonic nanostructure | |
| dc.subject | Surface plasmon polariton | |
| dc.subject.alternative | Κβαντική ηλεκτροδυναμική κοιλότητας | |
| dc.subject.alternative | Κβαντικός εκπομπός | |
| dc.subject.alternative | Αλληλεπίδραση φωτός-ύλης | |
| dc.subject.alternative | Ισχυρή σύζευξη | |
| dc.subject.alternative | Μονοφωτόνιο | |
| dc.subject.alternative | Εξίσωση Lindblad | |
| dc.subject.alternative | Θεώρημα κβαντικής παλινδρόμησης | |
| dc.subject.alternative | Μη-διακρισιμότητα φωτονίων | |
| dc.subject.alternative | Πλασμονική νανοδομή | |
| dc.subject.alternative | Πολαριτόνιο επιφανειακού πλασμονίου | |
| dc.title | Efficient single-photon emission with high indistinguishability using strong light-matter coupling | |
| dc.title.alternative | Αποδοτική εκπομπή μονοφωτονίων υψηλής μη-διακρισιμότητας χρησιμοποιώντας ισχυρή σύζευξη φωτός-ύλης |