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

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

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

Henri Temianka Correspondence; (fickler)

This collection contains material pertaining to the life, career, and activities of Henri Temianka, violin virtuoso, conductor, music teacher, and author. Materials include correspondence, concert programs and flyers, music scores, photographs, and books.https://digitalcommons.chapman.edu/temianka_correspondence/2055/thumbnail.jp

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

Automated Search for new Quantum Experiments

Quantum mechanics predicts a number of at first sight counterintuitive phenomena. It is therefore a question whether our intuition is the best way to find new experiments. Here we report the development of the computer algorithm Melvin which is able to find new experimental implementations for the creation and manipulation of complex quantum states. And indeed, the discovered experiments extensively use unfamiliar and asymmetric techniques which are challenging to understand intuitively. The results range from the first implementation of a high-dimensional Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) state, to a vast variety of experiments for asymmetrically entangled quantum states -- a feature that can only exist when both the number of involved parties and dimensions is larger than 2. Additionally, new types of high-dimensional transformations are found that perform cyclic operations. Melvin autonomously learns from solutions for simpler systems, which significantly speeds up the discovery rate of more complex experiments. The ability to automate the design of a quantum experiment can be applied to many quantum systems and allows the physical realization of quantum states previously thought of only on paper.Comment: 5+8 pages, 4+1 figures (main text + supplementary

Generation of Caustics and Spatial Rogue Waves from Nonlinear Instability

Caustics are natural phenomena in which nature concentrates the energy of waves. Although, they are known mostly in optics, caustics are intrinsic to all wave phenomena. For example, studies show that fluctuations in the profile of an ocean floor can generate random caustics and focus the energy of tsunami waves. Caustics share many similarities to rogue waves, as they both exhibit heavy-tailed distribution, i.e. an overpopulation of large events. Linear Schr\"odinger-type equations are usually used to explain the wave dynamics of caustics. However, in that the wave amplitude increases dramatically in caustics, nonlinearity is inevitable in many systems. In this Letter, we investigate the effect of nonlinearity on the formation of optical caustics. We show experimentally that, in contrast to linear systems, even small phase fluctuations can generate strong caustics upon nonlinear propagation. We simulated our experiment based on the nonlinear Schr\"odinger equation (NLSE) with Kerr-type nonlinearity, which describes the wave dynamics not only in optics, but also in some other physical systems such as oceans. Therefore, our results may also aid our understanding of ocean phenomena.Comment: 5 pages, 4 figure