Optical Cavities as Single Photon Sources

Abstract

Nyere arbeid innen kvanteinformasjonsteknologi foreslår å kombinere enkeltatomer og enkeltfotoner for å danne gunnlag for kvantekommunikasjon og -beregninger. I slike oppsett vil evnen til å produsere og manipulere enkeltfotoner være en viktig faktor.

Denne oppgaven er viet til temaet enkeltfotonkilder, basert på enkeltatomer i optiske kaviteter. Vi diskuterer de grunnleggende aspektene i kavitetskvanteelektrodynamikk, og presenterer konseptene bak en optisk kavitet og kvantiseringen av kavitetsfeltet. Karakteristiske egenskaper for kavitetsbaserte enkeltfotonkilder studeres ved hjelp av en Jaynes-Cummings modell, bestående av to nivåer. Systemet evalueres i forhold til emisjonseffektivitet for variasjoner i systemparametrene.

To-nivå systemet utvides til en tre-nivå Λ-modell, koblet til en justerbar laser. Vi viser en laserkontrollert prosedyre for adiabatisk produksjon av enkeltfotoner. Vi bruker en nummerisk Monte Carlo-bølgefunsksjonsmetode for å modellere Lindblads mesterligning for Λ-systemet, og viser også hvordan man kan bruke laseren til å produsere fotoner med en forhåndsdefinert tidsprofil.

Recent work within quantum information technology suggests combining single atoms and photons to form quantum networks and processors. In such set-ups the ability to produce and manipulate single photons is a crucial factor.

This thesis is devoted to the topic of single photon sources, based on single atoms inside optical cavities. We discuss the basic features of cavity quantum electrodynamics, and present the concept of an optical cavity and the quantization of the cavity field. The characteristics of a cavity-based single photon source are studied in the two-level Jaynes-Cummings model, and we evaluate the photon emission efficiency for variations in the system parameters.

Next, we extend the two-level system to a three-level Λ-model, coupled to an adjustable laser field. We demonstrate numerically a laser-controlled procedure for adiabatic manufacturing of single photons. We use a numer- ical Monte Carlo wavefunction method for modeling the Lindblad master equation of the Λ-system. We also show how to apply the laser to produce photons with a predefined temporal profile.