Scheme for sub-shot-noise transmission measurement using a time multiplexed single-photon source

A promising result from optical quantum metrology is the ability to achieve sub-shot-noise performance in transmission or absorption measurements. This is due to the significantly lower uncertainty in light intensity of quantum beams with respect to their classical counterparts. In this work, we simulate the outcome of an experiment that uses a multiplexed single-photon source based on pair generation by continuous spontaneous parametric down conversion (SPDC) followed by a time multiplexing set-up with a binary temporal division strategy, considering several types of experimental losses. With such source, the sub-Poissonian statistics of the output signal is the key for achieving sub-shot-noise performance. We compare the numerical results with two paradigmatic limits: the shot-noise limit (achieved using coherent sources) and the quantum limit (obtained with an ideal photon-number Fock state as the input source). We also investigate conditions in which threshold detectors can be used, and the effect of input light fluctuations on the measurement error. Results show that sub-shot-noise performance can be achieved, even without using number-resolving detectors, with improvement factors that range from 1.5 to 2. This technique would allow measurements of optical absorption of a sample with reasonable uncertainty using ultra-low light intensity and minimum disruption of biological or other fragile specimens.Comment: 10 pages, 8 figure

Unraveling Fano noise and partial charge collection effect in X-ray spectra below 1 keV

Fano noise, readout noise, and the partial charge collection (PCC) effect collectively contribute to the degradation of energy spectra in Charge Coupled Devices (CCD) measurements, especially at low energies. In this work, the X-ray produced by the fluorescence of fluorine (677 eV) and aluminum (1486 eV) were recorded using a Skipper-CCD, which enabled the reading noise to be reduced to 0.2 e-. Based on an analytical description of photopeak shapes resulting from the convolution of the PCC effect and Fano noise, we achieved a precise characterization of the energy spectra. This description enabled us to disentangle and quantify the contributions from both Fano noise and the PCC effect. As a result, we determined the Fano factor and the electron-hole pair creation energy. Additionally, we estimated the PCC-region of the sensor and, for the first time, experimentally observed the expected skewness of photopeaks at low energies.Comment: 8 pages, 5 figure

New technologies in non-classical light sources with applications in quantum metrology : measurements of the transmission of a sample

En este trabajo de Tesis se estudiaron teórica y experimentalmente dos fuentes de luz con características cuánticas: una fuente de fotones individuales, denominada BinMux, y una fuente de haces gemelos o twin-beams. Estas se basan en el proceso cuántico de generación de pares de fotones por conversión paramétrica descendente (SPDC), utilizando como recurso el entrelazamiento en el número de fotones del estado bipartito de salida. El objetivo es utilizar las correlaciones presentes en los fotones para, en el primer caso, modificar la estadística de emisión convirtiéndola en una distribución sub-poissoniana. Esta reducción en la dispersión de la variable aleatoria número de fotones permite traspasar límites clásicos de precisión (shot-noise limit) en la estimación de parámetros que interactúen con ese grado de libertad, como por ejemplo la transmisión óptica de una muestra. En el segundo caso, se busca diseñar una disposición experimental que detecte ambos haces y preserve de la mejor manera posible la correlación espacial entre ellos, para luego utilizar uno como referencia y otro como prueba en un experimento de estimación de parámetros, que también supere los límites clásicos de precisión. En el caso de la fuente BinMux, se propuso y estudió la adición de un sistema de multiplexado temporal a la etapa de generación de pares. El efecto es el de aumentar la probabilidad de obtener un fotón único a la salida, disminuyendo tanto los pulsos vacíos como los multifotónicos. Esto se realiza utilizando la información temporal de uno de los dos fotones para elegir el camino que el otro debe atravesar, imponiendo así un retardo temporal específico que sincronice la salida con cada período de un reloj externo. Se construyó el modelo teórico de la estadística de emisión de la fuente, comprobando su fuerte característica sub-poissoniana. Los resultados muestran que, para un determinado conjunto de parámetros, se puede aumentar la relación señal-ruido en un factor 8 comparado al caso de una fuente poissoniana del mismo brillo. El modelo estadístico representa una herramienta fuerte para describir el desempeño de la fuente con diferentes componentes ópticos. Asimismo, se realizó la implementación experimental en el laboratorio, en la que se midió la mejora en la estadística de emisión al incorporar la etapa de multiplexado. En el caso de la fuente de haces gemelos o twin-beams, se diseñó una configuración experimental con detección basada en sensores Skipper-CCD, un novedoso detector con la capacidad de medir la carga de cada píxel de manera no destructiva. Esta propiedad implica, tener resolución de número de fotones para longitudes de onda del infrarrojo cercano. Incorporar este sensor ayuda a reducir la relación señal-ruido de los fotones detectados, especialmente en un régimen de intensidad bajo, en donde el error de lectura es significativo en términos relativos. La implementación experimental conllevó la puesta en modo operativo de uno de los dos únicos sensores Skipper-CCD de la Argentina, en la primer aplicación en óptica cuántica de los detectores a nivel mundial, y permitió detectar anillos de SPDC tipo II y realizar un estudio preliminar de las correlaciones presentes. Asimismo, se estudió de manera teórica el potencial desempeño de la fuente de fotones individuales en un experimento de metrología cuántica, específicamente en la estimación de la transmisión de una muestra. Esto se realizó tanto para detección con resolución de número de fotones como para detección de umbral, aprovechando la emisión de fotones individuales de la fuente. Este estudio tuvo como resultado la posibilidad de obtener ventaja cuántica en la precisión con la que puede estimarse la transmisión, en todo el rango de valores posible y con ambos tipos de detectores. Los factores de mejora dependen de la intensidad media incidente sobre la muestra y del valor real de la transmitancia que se busca estimar. En el caso con resolución de número, la estimación es no sesgada, lo que implica que puede reducirse la incerteza relativa todo lo que se desee al realizar repeticiones del experimento, y los factores de mejora que pueden alcanzarse llegan a ser de hasta 1.6, lo que implica una mejora del 60 %. En el caso de la detección de umbral, la estimación presenta un sesgo debido a la componente multifotónica de la emisión, pero aún así presenta ventajas cuánticas que pueden arrojar factores de mejora de hasta 2.2 manteniendo un error relativo tan bajo como el 5 %. Sin embargo, en este caso no puede reducirse la incerteza relativa de manera arbitraria con el número de repeticiones. Los experimentos realizados en esta Tesis colaboran con el desarrollo de nuevas tecnologías cuánticas de diseño específico en el ámbito local, que presentan mucho potencial en el área de metrología cuántica.In this Thesis, two non-classical light sources were studied theoretically and experimentally: a source of single photons, dubbed BinMux, and source of twin beams. These are based on the quantum process of generating photon pairs by Spontaneous Parametric Downconversion (SPDC), using the entanglement in the number of photons of the bipartite output state as a resource. The objective of this work is twofold: One of the goals is to take advantage of the correlations that are present in the photon generation to alter the classical photon statistics present on each of the downconverted beams to obtain a sub-poissonian light source. Such reduction in the dispersion of the random variable “number of photons” allows us to go beyond classic precision limits (shot-noise limit) in the estimation of parameters that interact with this degree of freedom, such as the optical transmission of a sample. Besides, the second objective is to design an experimental arrangement that detects both beams and preserves the correlation between them in the best possible way, so that both beams can be later used as a probe and reference in a parameter estimation experiment that also exceeds the classical limits of precision. In the case of the BinMux source, the addition of a temporal multiplexing system that is combined with the pair generation is proposed and studied. The effect is to increase the probability of obtaining a single photon at the output, decreasing both the empty and multiphoton pulses. This is done by using the temporal information of one of the two photons to choose the path that the other must travel, thus imposing a specific time delay that synchronizes the output with the tick of an external clock. The theoretical model of the emission statistics of the source was also built, verifying its strong subpoissonian characteristic. The results show that the signal-to-noise ratio can be increased by a factor of 8 compared to the case of a poissonian source of the same brightness. The developed statistical model represents a strong tool to describe the performance of the source with different optical components. Finally, the experimental implementation was carried out in the laboratory, in which the improvement in emission statistics was measured by incorporating the multiplexing stage. In the case of the twin beams source, an experimental configuration with Skipper-CCD detection was designed; this is a novel kind of detector that allows to non-destructively measure the charge of each pixel. This property implies, for near-infrared wavelengths, having photon number resolution. Such sensor helps to reduce the signal-to-noise ratio of the detected photons, especially in a low intensity regime, where the readout error is significant in relative terms. The experimental implementation implied the set-up of one of the two Skipper-CCD sensors located in Argentina, in the first effort on a global scale for using them in a quantum optics experiment. This allowed for the imaging detection of type II SPDC rings and a preliminary study of the correlations present in the system. Additionaly, the potential performance of the single-photon BinMux source in a quantum metrology experiment was studied theoretically, specifically in the estimation of the transmission of a sample. This was done for both photon number resolution detection and for threshold detection, exploiting the emission of single photons from the source. This study resulted in the possibility of obtaining quantum advantage in the precision of the transmission estimation over the entire range of possible values and with both types of detection. The improvement factors depend on the average intensity incident on the sample and the actual value of the transmittance that is sought to be estimated. In the case with number resolution, the estimation is unbiased, which implies that the relative uncertainty can be reduced as much as desired with an increasing number of repetitions, and the improvement factors that can be achieved reach 1.6 times the SNL. In the case of threshold detection, the estimation presents a bias due to the multiphoton component of the emission, but it still presents quantum advantage with enhancement factors of up to 2.2 while maintaining a low relative error of 5 %. However, due to the bias, in this case the relative uncertainty cannot be reduced arbitrarily with the number of repetitions. The experiments carried out in this Thesis contribute to the local development of new quantum technologies of specific design, which are expected have great potential in the area of quantum metrology.Fil: Magnoni, Agustina Gabriela. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina

Distribución Cuántica de Claves en Aire con Estados Señuelo

En este trabajo se presenta un sistema completo de Distribución Cuántica de Claves criptográficas, utilizando un protocolo con estados señuelo[1]. Los qubits se codifican en el estado de polarización de pulsos ópticos atenuados, producidos por LEDs infrarrojos[2]. La propagación de los mismos entre las estaciones que buscan compartir una clave se realiza en aire, que es la implementación más prometedora para cubrir grandes distancias(vı́a satélites de baja órbita). Las terminales de emisión y recepción se encuentran en plataformas independientes y están separadas 8 metros, siendo este sistema el primero a nivel local en ser ensayado a distancias que exceden las de la mesa óptica. Para compensar eventuales desalineaciones por gradientes térmicos en atmósfera y pequeñas variaciones mecánicas,el sistema cuenta con un método de corrección de la punterı́a, basado en un haz contrapropagante, un sensor de imagen CMOS y un espejo con actuadores remotos. El aparato en su conjunto funciona de forma autónoma, y en las condiciones descriptas es capaz de generar clave criptográfica cruda a una tasa de 185 bits/s, con un error de 6,15%.In this work we introduce a complete Quantum Key Distribution device that implements a decoy-state protocol [1]. Qubits are coded in the polarization state of weak optical pulses, produced by infrared LEDs [2]. The link between Transmission (Alice) and Reception (Bob) stages is open air, which is the preferred channel to eventually through low-orbit satellites establish quantum communications. Both terminals are placed on different rooms, separated by approximately 8 meters. In order to compensate misalignments produced by small mechanic displacements or atmospheric thermal gradients, the system implements a closed-loop for automatic alignment based on a counter-propagating laser, a servo-actuated mirror and a CMOS image sensor. The apparatus runs in an autonomous way, and in the above described conditions it is able to generate raw cryptographic key at a rate of 185 bits/s, with a QBER of 6.15%.Fil: Magnoni, Agustina Gabriela. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Unidad de Investigación y Desarrollo Estratégico para la Defensa. Ministerio de Defensa. Unidad de Investigación y Desarrollo Estratégico para la Defensa; ArgentinaFil: López Grande, Ignacio Hernán. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Unidad de Investigación y Desarrollo Estratégico para la Defensa. Ministerio de Defensa. Unidad de Investigación y Desarrollo Estratégico para la Defensa; ArgentinaFil: Larotonda, Miguel Antonio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Unidad de Investigación y Desarrollo Estratégico para la Defensa. Ministerio de Defensa. Unidad de Investigación y Desarrollo Estratégico para la Defensa; Argentin

Performance of a temporally multiplexed single photon source with imperfect devices

Scalable photonic quantum technologies require highly efficient sources of single photons on demand. Although much progress has been done in the field within the last decade, the requirements impose stringent conditions on the efficiency of such devices. One of the most promising approaches is to multiplex a single or several heralded photon sources into temporal modes. In this work, we analyze a specific proposal to synchronize photons from a continuous source with an external reference clock using imperfect optical switches, which necessarily degrade the ideal behavior of the devised arrangement. The performance of the source as a sub-Poissonian light emitter is studied taking into account losses in the multiplexing arrangement, detector efficiency and dark counts. We estimate a fivefold increase in the single-photon probability achieved for 0.5 dB loss switches.Fil: Magnoni, Agustina Gabriela. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Unidad de Investigación y Desarrollo Estratégico para la Defensa. Ministerio de Defensa. Unidad de Investigación y Desarrollo Estratégico para la Defensa; ArgentinaFil: López Grande, Ignacio Hernán. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Unidad de Investigación y Desarrollo Estratégico para la Defensa. Ministerio de Defensa. Unidad de Investigación y Desarrollo Estratégico para la Defensa; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; ArgentinaFil: Knoll, Laura Tamara. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Unidad de Investigación y Desarrollo Estratégico para la Defensa. Ministerio de Defensa. Unidad de Investigación y Desarrollo Estratégico para la Defensa; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; ArgentinaFil: Larotonda, Miguel Antonio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Unidad de Investigación y Desarrollo Estratégico para la Defensa. Ministerio de Defensa. Unidad de Investigación y Desarrollo Estratégico para la Defensa; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; Argentin

Infrared Photon-Number-Resolving Imager Using a Skipper Charge-Coupled Device

Imaging in a broad light-intensity regime with a high signal-to-noise ratio is a key capability in fields as diverse as quantum metrology and astronomy. Achieving high signal-to-noise ratios in quantum imaging leads to surpassing the classical limit in parameter estimation. In astronomical detection, the search for habitable exoplanets demands imaging of atmospheres in the infrared to look for biosignatures. These optical applications are hampered by detection noise, which critically limits their potential, and thus demands photon-number and spatial-resolution detectors. Here we report an imaging device in the infrared wavelength range able to arbitrarily reduce the readout noise. We built a measured exposure skipper-CCD sensor instrument equipped with a thick back-illuminated sensor, with photon-number-resolving capability in a wide dynamic range, spatial resolution, high quantum efficiency in the near-infrared and ultralow dark counts. This device allows us to image objects in a broad range of intensities within the same frame and, by reducing the readout noise to less than 0.2e-, to distinguish even those shapes with less than two photons per pixel, unveiling what was previously hidden in the noise. These results pave the way for building high-standard infrared imagers based on skipper CCDs.Fil: Pears Stefano, Quimey Martín. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; ArgentinaFil: Magnoni, Agustina Gabriela. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Ministerio de Defensa. Instituto de Investigaciones Científicas y Técnicas para la Defensa; ArgentinaFil: Estrada, J.. Fermi National Accelerator Laboratory; Estados UnidosFil: Iemmi, Claudio César. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; ArgentinaFil: Rodrigues Ferreira Maltez, Dario Pablo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; ArgentinaFil: Tiffenberg, J.. Fermi National Accelerator Laboratory; Estados Unido