Quantum photonic interfaces between atomic and telecommunication wavelengths

Abstract

In this thesis we study techniques based on nonlinear optical effects to establish interfaces for photons between the near infrared and telecom spectral region. We follow two approaches: Photon pairs generated by spontaneous parametric downconversion (SPDC) in an optical parametric oscillator (OPO) and quantum frequency conversion (QFC) of single photons. The OPO is used to tailor the photonic state: One photon is resonant with a transition in 40Ca+ while its telecom partner is used as herald. We investigate temporal correlations and time-energy entanglement of the photon pairs. To demonstrate the applicability for resonant excitation of atomic transitions we perform single photon spectroscopy of the Ca+ D5/2-P3/2 transition. Due to the temporal correlation we use the idler photon as a herald for the absorption process to demonstrate telecom-heralded absorption of a single photon. The second approach is based on QFC of photons at 854nm to the telecom O-band (1310nm) by mixing with a pump field at 2453nm in a nonlinear waveguide. A light source is developed to generate the pump field. An over-all QFC conversion efficiency of 8% is reached for coherent fields and single photons. Temporal shape and photon statistics of SPDC photons are preserved in the conversion process. We prove the conservation of time-energy entanglement during QFC and the violation of a Bell inequality. Via QFC of the herald photon, heralded absorption of a single photon by a single trapped calcium ion is demonstrated.

Diese Dissertation befasst sich mit optisch nichtlinearen Effekten zur Entwicklung von Schnittstellen für Photonen zwischen dem nahinfraroten und Telekom-Spektralbereich. Es werden zwei Ansätze verfolgt: Photonen-Paare, erzeugt durch spontane parametrische Abwärtskonversion (SPDC) in einem Optisch Parametrischen Oszillator und Quanten-Frequenzkonversion (QFC). Der OPO dient zur Anpassung des photonischen Zustandes: Ein Photon ist resonant mit einem Übergang in 40Ca+, sein Telekom-Partnerphoton dient zur Ankündigung. Wir untersuchen die zeitlichen Korrelationen und Zeit-Energie Verschränkung der Photonenpaare. Die Eignung für resonante Anregung wird durch Einzelphotonen-Spektroskopie am Ca+ D5/2-P3/2 Übergang gezeigt. Aufgrund der zeitlichen Korrelationen verwenden wir das Idler-Photon bei Telekom Wellenlängen zur Ankündigung der Absorption eines einzelnen Signal-Photons. Der zweite Ansatz basiert auf QFC von Photonen bei 854nm ins Telekom O-Band (1310nm) durch Mischung mit einem Pumpfeld bei 2453nm in einem nichtlinearen Wellenleiter. Eine Lichtquelle zur Erzeugung des Pumpfeldes wurde entwickelt. Für kohärente Felder und einzelne Photonen wird eine Gesamteffizient von 8% für die QFC erreicht. Zeitliche Form und Photonenstatistik sind beim Konversionsprozess erhalten. Wir zeigen die Konversion von Zeit-Energie Verschränkung und die Verletzung einer Bell-Ungleichung. Mittels QFC wird die Absorption eines einzelnen Photons durch ein einzelnes gefangenes Calcium-Ion durch ein Telekom-Photon angekündigt.