The Effect of Orbital Angular Momentum on Nondiffracting Ultrashort Optical Pulses

We introduce a new class of nondiffracting optical pulses possessing orbital angular momentum. By generalizing the X-waves solution of the Maxwell equation, we discover the coupling between angular momentum and the temporal degrees of freedom of ultra-short pulses. The spatial twist of propagation invariant light pulse turns out to be directly related to the number of optical cycles. Our results may trigger the development on novel multi-level classical and quantum transmission channels free of dispersion and diffraction, may also find application in the manipulation of nano-structured objects by ultra-short pulses, and for novel approaches to the spatio-temporal measurements in ultrafast photonics

Erhöhung der Fettsäuresynthese von Regenbogenforellen durch Isoflavone

Der Einsatz von Fischöl als Futtermittelrohstoff ist durch die begrenzte Produktionsmenge bei gestiegener Nachfrage und einer damit einhergehenden Preiserhöhung zu einem limitierenden Faktor in der Aquakulturproduktion geworden. Auf Grund dessen werden vermehrt pflanzliche Öle als Substitut für Fischöl in der Fischernährung eingesetzt, was zu einer Senkung der Produktqualität der Fische durch niedrigere Gehalte an langkettigen mehrfach ungesättigten Fettsäuren (LC-PUFA, englisch: long-chain polyunsaturated fatty acids) führt. Ziel dieses Projekts war es deshalb, Möglichkeiten zur Steigerung der endogenen Biosynthese von LC-PUFA zu evaluieren, um die Gehalte an Eicosapentaensäure (20:5n-3, EPA) und Docosahexaensäure (22:6n-3, DHA) in der Regenbogenforelle zu erhöhen. Isoflavone sind bioaktive Substanzen, die über verschiedene Wirkmechanismen die Fettsäurebiosynthese beeinflussen können. Sie können als Liganden für Transkriptionsfaktoren fungieren, die zentral an der LC-PUFA Biosynthese beteiligt sind. Außerdem besitzen sie als Phytoöstrogene eine Strukturähnlichkeit zum Östrogen Estradiol. Da die Expression bestimmter Gene der LC-PUFA Synthese durch Östrogen beeinflusst werden kann, könnte dadurch ebenfalls der Gehalt an EPA und DHA im Fisch gesteigert werden. Deshalb sollten im Zellkulturmodell wirksame Isoflavon-Varianten identifiziert werden, die zu einer Erhöhung der EPA- und DHA-Spiegel beitragen könnten. Beispielsweise akkumulierte die α-Linolensäure (18:3n-3, ALA) im humanen in-vitro-Modell durch die Gabe von Genistein, jedoch sank der EPA-Gehalt signifikant ab und der DHA-Gehalt wurde nicht reguliert. Im Regenbogenforellen-Hepatozyten-Modell blieb die Fettsäuresynthese durch Genistein gänzlich unbeeinflusst. Im ersten in vivo Versuch sollten nun ebenfalls diejenigen Isoflavone und diätetischen Fettsäuremuster identifiziert werden, die einen positiven Einfluss auf die LC-PUFA-Gehalte in der Regenbogenforelle haben. Als zusätzliche Komponente, die LC-PUFA Biosynthese zu steigern, wurde das Öl der Pflanze Buglossoides arvensis in die Studien mit aufgenommen. Dieses Öl ist sowohl reich an ALA, als auch an Stearidonsäure (18:4n-3, SDA). SDA ist in den kommerziell verwendeten Pflanzenölen für die Fischernährung nicht vorhanden. Durch die direkte Bereitstellung von SDA über das Futtermittel sollte die Effizienz der Synthese gesteigert werden. Für den Versuch wurden nun verschiedene Isoflavone (Daidzein, Biochanin A, Formononetin, Equol and Genistein) mit drei verschiedenen Ölkompositionen kombiniert: Eine Mischung, basierend auf Fischöl und pflanzlichen Ölen, eine Mischung aus herkömmlichen pflanzlichen Ölen und eine Mischung aus herkömmlichen pflanzlichen Ölen und dem Öl der Pflanze Buglossoides arvensis. Zusätzlich gab es jeweils eine Diät dieser Ölmischungen ohne Additiv, die als Kontrolldiät verwendet wurde. In diesem Versuch zeigten alle Fische, die mit einer Equol- bzw. Genistein-Diät gefüttert wurden, einen leicht erhöhten DHA-Gehalt im Ganzkörperhomogenat im Vergleich zur jeweiligen Kontrollgruppe. Der Effekt der Substanzen auf die endogene Biosynthese konnte allerdings nicht durch molekularbiologische Methoden nachgewiesen werden, da die hepatischen mRNA Level der delta-6-Desaturase (fads2a(d6)) und der Carnitin Palmitoyltransferasen 1 a und c keine Veränderung im Vergleich zu den Werten der Kontrollgruppe aufwiesen, beziehungsweise sogar gegensätzlich beeinflusst wurden (fads2a(d6)). Insgesamt konnten die Fische, denen Diäten mit rein pflanzlichen Ölen verabreicht wurden, nicht die LC-PUFA Gehalte der Fische erreichen, die mit einer Fischöl-basierten Diät gefüttert wurden. Beim Vergleich der Kontrollgruppen zeigte sich, dass die Fische, die mit Buglossoides arvensis Öl gefüttert wurden, höhere EPA-Gehalte im Ganzkörperhomogenat aufwiesen, als diejenigen Fische, die mit den kommerziellen pflanzlichen Ölen gefüttert wurden. Der zweite Versuch wurde in zwei Teilversuche untergliedert. Im ersten Teil sollte eine weitere Steigerung der DHA-Gehalte in den Forellen erzielt werden, indem ihnen Diäten mit Equol und Genistein zu unterschiedlichen Konzentrationen verabreicht wurden. Die Substanzen wurden mit zwei verschiedenen Ölkompositionen kombiniert: Einerseits wurde eine Mischung aus herkömmlichen pflanzlichen Ölen verwendet, andererseits eine Mischung aus herkömmlichen pflanzlichen Ölen und dem Öl der Pflanze Buglossoides arvensis. In den Fischen, die eine Kombination aus rein pflanzlichen Ölen und Genistein bzw. Equol erhalten haben, wurden keine Effekte auf die Fettsäuremuster der Fischgewebe nachgewiesen. Im Gegensatz dazu wiesen diejenigen Fische, die eine Kombination aus Buglossoides arvensis und Equol erhielten, im Vergleich zur Kontrollgruppe marginal erhöhte LC-PUFA-Gehalte in den Geweben auf. Dagegen gab es keine Erhöhung der LC-PUFA Gehalte in den Fischen, die mit den Genistein-Diäten gefüttert wurden. Im zweiten Teil des zweiten Versuchs sollte das Öl der Pflanze Buglossoides arvensis auf seine Eignung als Futtermittelrohstoff hin untersucht werden. Durch das besondere Fettsäuremuster dieses Öls sollte die Effizienz der LC-PUFA-Biosynthese gesteigert werden. Hierfür wurde eine Diät basierend auf einer Mischung aus Fischöl und pflanzlichen Ölen schrittweise mit diesem Öl substituiert. Die höchsten Gehalte dieses Öls führten zu einem Anstieg des EPA-Gehalts im Filet der Forellen, verglichen mit der Kontrollgruppe. Der DHA-Gehalt im Filet war nicht signifikant unterschiedlich zwischen den Fütterungsgruppen. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass die endogene Biosynthese von LC-PUFA in Regenbogenforellen sowohl durch ein bestimmtes Fettsäuremuster der Nahrung als auch durch bioaktive Substanzen, respektive deren Kombination gesteigert werden kann. Die Wirkung der Substanzen Equol und Genistein scheint allerdings abhängig von der verabreichten Dosis und des Fettsäuremusters des Futtermittels zu sein. Diesbezüglich ist noch Forschungsbedarf nötig. Dagegen ist die Wirkung des Öls der Pflanze Buglossoides arvensis auf die EPA Gehalte im Filet vorhanden und eine Steigerung von DHA scheint durch einen längeren Versuchszeitraum plausibel. Deshalb hat das Buglossoides arvensis Öl bzw. ein SDA-reiches Äquivalent ein höheres Potential zur Steigerung der LC-PUFA Biosynthese in Regenbogenforellen verglichen mit den hier untersuchten bioaktiven Substanzen

Twisted Photons: New Quantum Perspectives in High Dimensions

Quantum information science and quantum information technology have seen a virtual explosion world-wide. It is all based on the observation that fundamental quantum phenomena on the individual particle or system-level lead to completely novel ways of encoding, processing and transmitting information. Quantum mechanics, a child of the first third of the 20th century, has found numerous realizations and technical applications, much more than was thought at the beginning. Decades later, it became possible to do experiments with individual quantum particles and quantum systems. This was due to technological progress, and for light in particular, the development of the laser. Hitherto, nearly all experiments and also nearly all realizations in the fields have been performed with qubits, which are two-level quantum systems. We suggest that this limitation is again mainly a technological one, because it is very difficult to create, manipulate and measure more complex quantum systems. Here, we provide a specific overview of some recent developments with higher-dimensional quantum systems. We mainly focus on Orbital Angular Momentum (OAM) states of photons and possible applications in quantum information protocols. Such states form discrete higher-dimensional quantum systems, also called qudits. Specifically, we will first address the question what kind of new fundamental properties exist and the quantum information applications which are opened up by such novel systems. Then we give an overview of recent developments in the field by discussing several notable experiments over the past 2-3 years. Finally, we conclude with several important open questions which will be interesting for investigations in the future.Comment: 15 pages, 7 figure

Real-Time Imaging of Quantum Entanglement

Quantum Entanglement is widely regarded as one of the most prominent features of quantum mechanics and quantum information science. Although, photonic entanglement is routinely studied in many experiments nowadays, its signature has been out of the grasp for real-time imaging. Here we show that modern technology, namely triggered intensified charge coupled device (ICCD) cameras are fast and sensitive enough to image in real-time the effect of the measurement of one photon on its entangled partner. To quantitatively verify the non-classicality of the measurements we determine the detected photon number and error margin from the registered intensity image within a certain region. Additionally, the use of the ICCD camera allows us to demonstrate the high flexibility of the setup in creating any desired spatial-mode entanglement, which suggests as well that visual imaging in quantum optics not only provides a better intuitive understanding of entanglement but will improve applications of quantum science.Comment: Two supplementary movies available at the data conservancy projec

Cyclic transformation of orbital angular momentum modes

The spatial modes of photons are one realization of a QuDit, a quantum system that is described in a D-dimensional Hilbert space. In order to perform quantum information tasks with QuDits, a general class of D-dimensional unitary transformations is needed. Among these, cyclic transformations are an important special case required in many high-dimensional quantum communication protocols. In this paper, we experimentally demonstrate a cyclic transformation in the high-dimensional space of photonic orbital angular momentum (OAM). Using simple linear optical components, we show a successful four-fold cyclic transformation of OAM modes. Interestingly, our experimental setup was found by a computer algorithm. In addition to the four-cyclic transformation, the algorithm also found extensions to higher-dimensional cycles in a hybrid space of OAM and polarization. Besides being useful for quantum cryptography with QuDits, cyclic transformations are key for the experimental production of high-dimensional maximally entangled Bell-states.Comment: 18 pages, 6 figure

Scalable fiber integrated source for higher-dimensional path-entangled photonic quNits

Integrated photonic circuits offer the possibility for complex quantum optical experiments in higher-dimensional photonic systems. However, the advantages of integration and scalability can only be fully utilized with the availability of a source for higher-dimensional entangled photons. Here, a novel fiber integrated source for path-entangled photons in the telecom band at 1.55\mum using only standard fiber technology is presented. Due to the special design the source shows good scalability towards higher-dimensional entangled photonic states (quNits), while path entanglement offers direct compatibility with on-chip path encoding. We present an experimental realization of a path-entangled two-qubit source. A very high quality of entanglement is verified by various measurements, i.a. a tomographic state reconstruction is performed leading to a background corrected fidelity of (99.45+-0.06)%. Moreover, we describe an easy method for extending our source to arbitrarily high dimensions.Comment: 9 pages, 3 figures, to be published in Optics Express Vol. 20, No. 10 (05/07/2012

Full-field mode sorter using two optimized phase transformations for high-dimensional quantum cryptography

High-dimensional encoding schemes have emerged as a novel way to perform quantum information tasks. For high dimensionality, temporal and transverse spatial modes of photons are the two paradigmatic degrees of freedom commonly used in such experiments. Nevertheless, general devices for multi-outcome measurements are still needed to take full advantage of the high-dimensional nature of encoding schemes. We propose a general full-field mode sorting scheme consisting only of up to two optimized phase elements based on evolutionary algorithms that allows for joint sorting of azimuthal and radial modes in a wide range of bases. We further study the performance of our scheme through simulations in the context of high-dimensional quantum cryptography, where high-fidelity measurement schemes are crucial

Controlling induced coherence for quantum imaging

Induced coherence in parametric down-conversion between two coherently pumped nonlinear crystals that share a common idler mode can be used as an imaging technique. Based on the interference between the two signal modes of the crystals, an image can be reconstructed. By obtaining an expression for the interference pattern that is valid in both the low- and the high-gain regimes of parametric down-conversion, we show how the coherence of the light emitted by the two crystals can be controlled. With our comprehensive analysis we provide deeper insight into recent discussions about the application of induced coherence to imaging in different regimes. Moreover, we propose a scheme for optimizing the visibility of the interference pattern so that it directly corresponds to the degree of coherence of the light generated in the two crystals. We find that this scheme leads in the high-gain regime to a visibility arbitrarily close to unity.Comment: 9 pages, 4 figure

Finite-key security analysis for multilevel quantum key distribution

We present a detailed security analysis of a d-dimensional quantum key distribution protocol based on two and three mutually unbiased bases (MUBs) both in an asymptotic and finite key length scenario. The finite secret key rates are calculated as a function of the length of the sifted key by (i) generalizing the uncertainly relation-based insight from BB84 to any d-level 2-MUB QKD protocol and (ii) by adopting recent advances in the second-order asymptotics for finite block length quantum coding (for both d-level 2- and 3-MUB QKD protocols). Since the finite and asymptotic secret key rates increase with d and the number of MUBs (together with the tolerable threshold) such QKD schemes could in principle offer an important advantage over BB84. We discuss the possibility of an experimental realization of the 3-MUB QKD protocol with the orbital angular momentum degrees of freedom of photons.Comment: v4: close to the published versio