Frequency correlations in reflection from random media

We present a theoretical study of frequency correlations of light backscattered from a random scattering medium. This statistical quantity provides insight into the dynamics of multiple scattering processes accessible both, in theoretical and experimental investigations. For frequency correlations between field amplitudes, we derive a simple expression in terms of the path length distribution of the underlying backscattering processes. In a second step, we apply this relation to describe frequency correlations between intensities in the regime of weak disorder. Since, with increasing disorder strength, an unexplained breakdown of the angular structure of the frequency correlation function has recently been reported in experimental studies, we explore extensions of our model to the regime of stronger disorder. In particular, we show that closed scattering trajectories tend to suppress the angular dependence of the frequency correlation function.Comment: 10 pages, 8 figure

Entanglement and control of quantum states

In the first part of this thesis,we examine the preparation of a single- mode radiation field in arbitrary pure quantum states via resonant inter- action with a sequence of two-level atoms.The preparation is achieved by choosing an appropriate (in general entangled)initial state of the atomic sequence,and does neither require a final state measurement of the atoms,nor a control of the atom-field interaction.Furthermore,the method is applicable also when starting from mixed initial field states. We show how to determine the optimal initial atomic state which pre- pares the desired field state with the maximum fidelity,and prove the feasibility of our state preparation method by numerical calculations. In the second part,we demonstrate the noise-induced control of quantum jumps in a fundamental open quantum system.Here,in addition to the subsequent interaction with a flux of two-level atoms,the quantized field is also coupled to a thermal environment.Under certain experimental conditions,the photon field exhibits a bistable behavior,with quantum jumps between two metastable states.In the presence of a small peri- odic signal (i.e.,a modulation of the initial state of the two-level atoms crossing the single-mode resonator),the best synchronization of these quantum jumps with the signal is achieved at an optimal,nonvanishing temperature of the environment.This stochastic resonance e ffect can be observed in di fferent components of the atomic Bloch vector on exit from the cavity. The third part treats a speci fic problem concerning the characterization of entanglement between two quantum mechanical two-level systems. We consider the optimal decomposition of a two-qubit state into an en- tangled and a separable part,with maximal weight of the latter,and derive necessary and su fficient conditions for the optimality of the de- composition.Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit untersuchen wir die Pr ¨aparation einer einzelnen Mode des quantisierten Strahlungsfeldes in einen beliebi- gen Quantenzustand durch resonante Wechselwirkung mit einer Reihe von Zwei-Niveau-Atomen.Die Pr ¨aparation erfolgt durch Wahl eines geeigneten (im allgemeinen verschr ¨ankten)Anfangszustands der Atome, und ben ¨otigt weder eine Messung des atomaren Endzustands,noch eine Kontrolle der Atom-Feld-Wechselwirkung.Dieses Verfahren ist auch bei gemischten Anfangszust ¨anden des Feldes anwendbar.Wir erl ¨autern, wie man den optimalen atomaren Anfangszustand au ffinden kann, welcher den gew ¨unschten Feldzustand mit maximaler G ¨ute erzeugt, und zeigen durch numerische Berechnungen die Umsetzbarkeit unseres Pr ¨aparationsverfahrens. Im zweiten Teil demonstrieren wir die rauschinduzierte Kontrolle von Quantenspr ¨ungen in einem fundamentalen o ffenen Quantensystem. Neben der Wechselwirkung mit einem Fluss aufeinanderfolgender Zwei- Niveau-Atome ist das Feld hierbei auch an eine thermische Umgebung gekoppelt.Bei bestimmter Wahl der experimentellen Parameter wird das Photonenfeld bistabil und vollzieht Quantenspr ¨unge zwischen zwei metastabilen Zust ¨anden.In der Gegenwart eines schwachen,periodi- schen Signals (d.h.einer Modulation des Anfangszustandes der den Resonator durchquerenden Zwei-Niveau-Atome)wird die beste Synchro- nisierung der Quantenspr ¨unge mit diesem Signal bei einer optimalen, nichtverschwindenden Temperatur der Umgebung erzielt.Dieser Ef- fekt der stochastischen Resonanz ist in verschiedenen Komponenten des Blochvektors nach Austritt der Atome aus dem Resonator beobachtbar. Der dritte Teil behandelt ein spezielles Problem in der Charakterisierung von Verschr ¨ankung zwischen zwei quantenmechanischen Zwei-Niveau- Systemen.Wir betrachten die optimale Zerlegung eines Zustands zweier Qubits in einen verschr ¨ankten und einen separablen Anteil,wobei das Gewicht von letzterem maximiert wird,und leiten notwendige und hin- reichende Bedingungen f ¨ur die Optimalit ¨at der Zerlegung her