Decoherence and reservoir engineering in linear optical systems - Siltanen, Olli (fi=Turun yliopisto|en=University of Turku|, 2023)
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.