Efficient single-photon emission with high indistinguishability using strong light-matter coupling

datacite.contributor.RelatedPersonΘανόπουλος, Ιωάννης
datacite.contributor.SupervisorΤερζής, Ανδρέας
datacite.contributor.SupervisorΠασπαλάκης, Εμμανουήλ
dc.contributor.authorΔιαβολίτσης, Νικόλαος
dc.contributor.otherDiavolitsis, Nikolaos
dc.date.accessioned2024-07-10T10:58:37Z
dc.date.available2024-07-10T10:58:37Z
dc.date.issued2024-07-09
dc.degreemasterThesis
dc.description.abstractThe 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.translatedabstractΣτόχος 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.urihttps://hdl.handle.net/10889/27510
dc.language.isoen
dc.rightsAttribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 United Statesen
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/us/
dc.subjectCavity quantum electrodynamic
dc.subjectQuantum emitter
dc.subjectLight-matter interaction
dc.subjectStrong coupling
dc.subjectSingle photon
dc.subjectLindblad equation
dc.subjectQuantum regression theorem
dc.subjectPhoton indistinguishability
dc.subjectPlasmonic nanostructure
dc.subjectSurface plasmon polariton
dc.subject.alternativeΚβαντική ηλεκτροδυναμική κοιλότητας
dc.subject.alternativeΚβαντικός εκπομπός
dc.subject.alternativeΑλληλεπίδραση φωτός-ύλης
dc.subject.alternativeΙσχυρή σύζευξη
dc.subject.alternativeΜονοφωτόνιο
dc.subject.alternativeΕξίσωση Lindblad
dc.subject.alternativeΘεώρημα κβαντικής παλινδρόμησης
dc.subject.alternativeΜη-διακρισιμότητα φωτονίων
dc.subject.alternativeΠλασμονική νανοδομή
dc.subject.alternativeΠολαριτόνιο επιφανειακού πλασμονίου
dc.titleEfficient single-photon emission with high indistinguishability using strong light-matter coupling
dc.title.alternativeΑποδοτική εκπομπή μονοφωτονίων υψηλής μη-διακρισιμότητας χρησιμοποιώντας ισχυρή σύζευξη φωτός-ύλης

Files

Original bundle
Now showing 1 - 1 of 1
Loading...
Thumbnail Image
Name:
Nikos_Diavolitsis_Master.pdf
Size:
1.92 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
License bundle
Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
license.txt
Size:
5.02 KB
Format:
Item-specific license agreed upon to submission
Description: