Decoherence and reservoir engineering in linear optical systems

Realistic quantum systems interact with their environment and, as a consequence, may lose their quantum properties. This phenomenon is known as decoherence, and it keeps the many oddities of quantum mechanics at the level of elementary particles. But while doing so, decoherence constitutes one of the biggest hindrances to efficient technologies fueled by quantum mechanics. Hence, it is essential to understand the different mechanisms of decoherence and how to control them. Recently, reservoir engineering, i.e., manipulating the environmental degrees of freedom and their initial correlations, has attracted a lot of attention as a means to control decoherence. Reservoir engineering allows, e.g., to restore information previously leaked into environment back to open quantum systems—a phenomenon often associated with memory and non-Markovianity. In this Thesis, we study decoherence and reservoir engineering in the context of linear optical systems, where the polarization degree of freedom of single photons is the open quantum system. We begin with a short introduction to the very basics of quantum theory, from which we gradually proceed to the dynamics of open quantum systems. The rest of the Thesis is dedicated to the main results of Publications I–VII. We derive the decoherence functions of a biphoton system and show how to control them independently of each other. Using the same methods, we can even reverse the direction of decoherence. This allows us to realize quantum teleportation without the resource qubits being entangled, which we demonstrate also experimentally. We also consider decoherence occurring in interferometric setups, revealing the interesting effects of which-path-information in Mach-Zehnder interference and photon bunching in Hong-Ou-Mandel interference. Monitoring the open-system dynamics in these setups allows us to estimate different parameters outside the interferometers’ more common working region. As for the interferometric region, we present numerical results implying the possibility of breaking the so-called quantum Cramér-Rao bound, a fundamental lower bound for the sensitivity of parameter estimation. Finally, we consider parameter estimation from the opposite point of view, i.e., when the decoherence model is not known and we cannot monitor it. We implement our alternative protocol in two experiments and apply the results in snapshot verification of non-Markovianity—a task typically requiring monitoring the open-system dynamics.--- Realistiset kvanttisysteemit vuorovaikuttavat ympäristönsä kanssa, minkä seurauksena ne voivat menettää kvanttiominaisuutensa. Tämä ilmiö tunnetaan dekoherenssina, ja se rajaa kvanttimekaniikan kummallisuudet alkeishiukkasten tasolle. Samaan aikaan dekoherenssi kuitenkin muodostaa yhden suurimmista haitoista hyödyllisille kvanttiteknologioille. Tästä syystä on erittäin tärkeää ymmärtää erilaisia dekoherenssimalleja ja kuinka hallita niitä. Viime aikoina huomiota herättänyt reservimuuntelu on yksi tapa hallita dekoherenssia. Reservimuuntelulla tarkoitetaan ympäristön vapausasteiden ja niiden korrelaatioiden manipuloimista. Kyseisen tekniikan avulla voidaan muun muassa palauttaa ympäristöön vuotanutta informaatiota takaisin avoimiin kvanttisysteemeihin. Tämä ilmiö yhdistetään usein avointen kvanttisysteemien muistiin ja niiden dynamiikan epämarkovisuuteen. Tässä väitöskirjassa tutkitaan dekoherenssia ja reservimuuntelua lineaarisen optiikan viitekehyksessä. Tässä yhteydessä yksittäisten fotonien polarisaatiovapausaste muodostaa avoimen kvanttisysteemin. Aloitamme lyhyellä johdatuksella kvanttimekaniikan perusteisiin ja siirrymme vähitellen avointen kvanttisysteemien dynamiikkaan. Loput väitöskirjasta perustuu tieteellisiin alkuperäisjulkaisuihin I–VII. Johdamme kahden fotonin dekoherenssifunktiot ja osoitamme kuinka hallita näitä toisistaan riippumatta. Samoja menetelmiä soveltamalla kykenemme jopa kääntämään dekoherenssin suunnan. Tämä sallii kvanttiteleportaation ilman kietoutunutta kubittiparia, minkä osoitamme myös kokeellisesti. Tutkimme myös interferometreissä tapahtuvaa dekoherenssia kiinnittäen erityishuomiota fotonin reittitietoon Mach-Zehnder-interferometrissä ja fotonien ryhmittymiseen Hong-Ou-Mandel-interferometrissä. Monitoroimalla polarisaation käyttäytymistä voimme estimoida erilaisia parametreja näiden interferometrien tavanomaisen toiminta-alueen ulkopuolella. Interferenssialueella esitämme puolestaan numeerisia tuloksia, jotka viittaavat mahdollisuuteen rikkoa niin sanottu kvantti-Cramér-Rao-raja, vastaavanlaisiin arviointitehtäviin liittyvä herkkyysalaraja. Lopuksi tutkimme tällaisia dekoherenssiin perustuvia parametrien arviointitehtäviä vastakkaisesta näkökulmasta, eli kun dekoherenssimalli ei ole tunnettu, eikä sitä voi monitoroida. Implementoimme vaihtoehtoisen arviointiprotokollamme kahdessa kokeessa ja sovellamme tuloksiamme epämarkovisuuden todentamisessa yhtenä ajanhetkenä. Tyypillisesti tämä tehtävä vaatisi nimenomaan dynamiikan monitorointia

Polarisaation heikko mittaus : Optiselta vorteksilta Blochin pallolle

Tavanomaista kvanttimekaanista mittausta voi tietyssä mielessä luonnehtia epätäydelliseksi. Kvanttimekaaninen tila romahtaa mittaustulosta vastaavaksi ominaistilaksi, jolloin alkuperäisestä tilasta ei voi saada enempää informaatiota, ja eri suureparit rajoittavat toistensa mittaustarkkuutta. Koskaan ei voi tietää kaikkea. Mittaushäiriö on kuitenkin minimoitavissa niin sanotun heikon mittauksen keinoin. Siinä varsinaisen kiinnostuksen kohteena oleva tila kytketään heikosti yhteen jonkin aputilan kanssa, jonka siirtymä sitten mitataan. Tätä siirtymää kutsutaan heikoksi arvoksi, ja sen kautta on mahdollista päästä käsiksi itse mitattavaan tilaan. Kvantti-informaation aikakautena tiedonkuljettajina käytetään yhä enenevissä määrin qubitteja eli tilojen |0⟩ ja |1⟩ superpositioita. Yksittäiseen qubittiin mahtuu paljon enemmän informaatiota kuin yksittäiseen bittiin (0 tai 1). Eräs fysikaalinen esimerkki qubitista on valon polarisaatio eli sähkömagneettisen kentän värähtelysuunta. Kvanttilaskennassa voidaan tarvita juuri tietynlaisia qubitteja, jolloin niiden testaus niitä tuhoamatta on ensiarvoisen tärkeää. Japanilaistutkijat kehittivätkin tähän vuonna 2015 varsin hyvin toimivan, heikkoon mittaukseen perustuvan menetelmän, joka on tämän tutkielman pääosassa. Intensiteetiltään gaussinen laservalo muunnetaan ensin Laguerren-Gaussin moodiksi, jota karakterisoi nollaintensiteettipiste eli optinen vorteksi. Tämän voi mieltää polarisaation heikoksi arvoksi, joten sen siirtymän mittaus vastaa polarisaation mittausta. Kuitenkin, varsinainen qubitti optisesta vorteksista saadaan vasta projisoimalla se stereograafisesti kompleksitasolta Blochin pallolle, kaksiulotteisten kvanttitilojen avaruuteen. Koejärjestelyn osoitetaan toimivan myös sekoitetuille tiloille eli statistiikaltaan erilaisille qubittikombinaatioille. Kvanttilaskennan lisäksi tutkielmassa käsiteltävät asiat ovat sovellettavissa kvanttidynamiikassa ja -korrelaatiossa.Siirretty Doriast

Engineering of Hong-Ou-Mandel interference with effective noise

The Hong-Ou-Mandel effect lies at the heart of quantum interferometry, having multiple applications in the field of quantum information processing and no classical counterpart. Despite its popularity, only a few works have considered polarization-frequency interaction within the interferometer. In this paper, we fill this gap. Our system of interest is a general biphoton polarization state that experiences effective dephasing noise by becoming entangled with the same photons' frequency state, as the photons propagate through birefringent media. The photons then meet at a beam splitter, where either coincidence or bunching occurs, after which the polarizationfrequency interaction continues on the output paths. Along with performing extensive theoretical analysis on the coincidence probability and different polarization states, we outline multiple interesting applications that range from constructing Bell states to an alternative delayed choice quantum eraser

Interferometric approach to open quantum systems and non-Markovian dynamics

We combine the dynamics of open quantum systems with interferometry and interference, introducing the concept of an open system interferometer. By considering a single photon in a Mach-Zehnder interferometer, where the polarization (open system) and frequency (environment) of the photon interact, we theoretically show that inside the interferometer, pathwise polarization dephasing dynamics is Markovian while the joint dynamics displays non-Markovian features. Outside the interferometer and due to interference, the open system displays rich dynamical features with distinct alternatives: only one path displays non-Markovian memory effects, both paths individually display them, or no memory effects appear at all. The scheme allows one to (1) probe the optical path difference inside the interferometer by studying pathwise non-Markovianity outside the interferometer, and (2) introduce pathwise dissipative features for the open system dynamics even though the system-environment interaction itself contains only dephasing. Due to the path dependencies, our results are tightly connected to quantum erasure. In general, our results open up alternative ways to control open system dynamics and for fundamental studies of quantum physics. © 2021 American Physical Society.</p

Distributing memory effects in an open two-qubit system

We introduce a method to distribute memory effects among different subspaces of an open two-qubit system's state space. Within the linear optical framework, our system of interest is the polarization of two photons, while the environment consists of their frequency degrees of freedom. By exploiting initially correlated frequency distributions and initial frequency-dependent phase factors, we are able to control all the four decoherence functions for polarization-corresponding to different open-system subspace divisions-almost independently of each other. Hence, our results demonstrate how, in a multipartite dephasing system, Markovian and non-Markovian dynamics can be arbitrarily divided between the subsystems, giving rise to the concept of memory partitions. We also discuss further implications the results have, e.g., on the dynamics of purity and entropy within the two-qubit system

Experimental quantum probing measurements with no knowledge of the system-probe interaction

In any natural science, measurements are the essential link between theory and observable reality. Is it possible to obtain accurate and relevant information via measurement whose action on the probed system is unknown? In other words, can one be convinced to know something about the nature without knowing in detail how the information was obtained? In this paper, we show that the answer is, surprisingly, yes. We construct and experimentally implement a quantum optical probing measurement where measurements on the probes, i.e., the photons' polarization states, are used to extract information on the systems, i.e., the frequency spectra of the same photons. Unlike the preexisting probing protocols, our measurement does not require any knowledge of the interaction between the probe and the system

Efficient quantum teleportation under noise with hybrid entanglement and reverse decoherence

Decoherence constitutes one of the biggest hindrances to efficient quantum technologies. Quantum teleportation, for example - the cornerstone of quantum information processing - typically becomes futile in a noisy setting, with decoherence degrading quantum to classical. Hence, new ways to control noise and decoherence are being actively developed. Here, we consider quantum teleportation under pure decoherence, i.e. dephasing, which we show how to reverse with hybrid entanglement. We implement the noisy quantum teleportation and reverse decoherence in all-optical experiments. Remarkably, we achieve high teleportation fidelities without the initial resource qubits ever violating the Bell-CHSH inequalities. Our results therefore shed new light on nonlocal resources, e.g., hidden nonlocality, while simultaneously providing an efficient way to resist decoherence

Identifying the origin of delayed electroluminescence in a polariton organic light-emitting diode

Modifying the energy landscape of existing molecular emitters is an attractive challenge with favourable outcomes in chemistry and organic optoelectronic research. It has recently been explored through strong light-matter coupling studies where the organic emitters were placed in an optical cavity. Nonetheless, a debate revolves around whether the observed change in the material properties represents novel coupled system dynamics or the unmasking of pre-existing material properties induced by light-matter interactions. Here, for the first time, we examined the effect of strong coupling in polariton organic light-emitting diodes via time-resolved electroluminescence studies. We accompanied our experimental analysis with theoretical fits using a model of coupled rate equations accounting for all major mechanisms that can result in delayed electroluminescence in organic emitters. We found that in our devices the delayed electroluminescence was dominated by emission from trapped charges and this mechanism remained unmodified in the presence of strong coupling.Comment: 11 pages + 8 supp pages, 4 figures + 8 supp figure

ARLTS1 and Prostate Cancer Risk - Analysis of Expression and Regulation

Peer reviewe

Contribution of ARLTS1 Cys148Arg (T442C) Variant with Prostate Cancer Risk and ARLTS1 Function in Prostate Cancer Cells

Peer reviewe