Quantum and nonlinear four-wave mixing effects in optical fibers

Abstract

Optical fibers, among significant inventions of the 20th century, have played a pivotal role in the information age. Owing to their excellent characteristics, the optical fibers are extensively utilized for the global transmission of both classical and quantum information. Moreover, the remarkable properties of the optical fibers, along with their seamless integration into existing fiber networks, have spurred investigations into their nonlinear effects, fostering the development of fiber-based optical devices. Such advancements open new opportunities in classical and quantum information processing, with notable developments including optical logic gates, parametric amplifiers, pulse generators, time lenses, photon-pair sources, and quantum frequency converters. In this thesis, I examine quantum and nonlinear four-wave mixing effects in optical fibers, which possess a great potential for the applications in both classical and quantum information processing. Chapter 1 offers an overview and background theory of this thesis. In chapter 2, we focus on a direct comparison of photon-pair generation rates between the fundamental and sideband modes, facilitated by spontaneous four-wave mixing in an optical fiber. Contrary to prevailing thought, which considers that these rates are nearly identical, our findings emphasize the superior generation efficiencies of the fundamental modes. We attribute this discrepancy to the non-uniformity of the optical fiber. In chapter 3, we introduce a new method for measuring the dispersion parameters of optical fibers via Bragg-scattering four-wave mixing (BS-FWM). Accurate measurement of the dispersion properties is crucial to optimize fiber-based photon-pair sources and quantum frequency converters. Our method provides more than a two-fold enhancement in sensitivity compared to prior stimulated four-wave mixing methods. This suggests a potential for more accurate measurement of the dispersion properties. In chapter 4, we demonstrate the ability of BS-FWM to eliminate the frequency distinguishability, which hinders the successful probabilities of quantum operations. We discuss the advantages of the BS-FWM approach relative to other established methods. In chapter 5, we demonstrate the NOON-state interference in the frequency domain. The frequency domain has recently gained a great attention due to its extensibility to high-dimensional quantum states. We observe that the NOON-state interference in the frequency domain exhibits a two-fold enhancement in the oscillation frequency compared to the single-photon interference. Remarkably, our system exhibits a great stability without active stabilization. Finally, in chapter 6, we report the optical energy-difference conservation in a synthetic anti-parity-time (APT) symmetric system. The APT system is realized through the stimulated four-wave mixing effect in optical fibers. On this basis, we observe the phase transition at exceptional points, energy-difference conservation, and synchronized power oscillations.

20세기의 획기적인 발명품인 광섬유는 정보화세대에서 중추적인 역할을 수행하고 있다. 광섬유는 뛰어난 특성으로 인해 고전정보와 양자정보를 전 세계에 분배하는 목적으로 사용한다. 또한 광섬유 네트워크와 호환성과 물리적 특성으로 인해 광섬유의 비선형효과를 이용한 광학장치 개발이 수행되었다. 이러한 발전은 광 논리 게이트, 증폭기, 펄스 생성기, 시간 렌즈, 광자쌍 생성기 및 양자 주파수 변환기를 포함한 다양한 광학장치를 개발했고, 고전정보처리와 양자정보처리에 새로운 가능성을 부여했다. 본 학위논문은 고전정보처리와 양자정보처리에서 높은 응용 가능성을 지닌 광섬유를 이용한 양자 및 비선형 사광파효과를 연구한다. 1장은 본 학위논문의 개요와 배경이론을 제시한다. 2장은 광섬유에서 자발사광파혼합으로 인한 광자쌍 생성률의 기본모드와 사이드밴드를 비교한다. 기존에 두 효율이 거의 비슷하다고 알려져 있었지만, 기본모드의 생성률이 사이드밴드보다 높음을 보고했다. 사이드밴드 모드의 낮은 생성률을 시뮬레이션으로 설명했다. 3장은 브래그산란 사광파혼합을 이용하여 광섬유의 분산특성을 측정하는 방법을 제안한다. 광섬유의 분산특성의 정밀측정은 광섬유기반 광자쌍 생성기와 양자 주파수 변환기의 성능을 최적화할 때 필요하다. 제안한 방법은 기존 유도사광파혼합을 이용한 방법보다 2배 이상 높은 민감도를 보유하여, 더 높은 정확도로 분산특성을 측정할 가능성을 가진다. 4장은 브래그산란 사광파혼합을 이용하여 양자상태가 가지는 주파수 구분가능성을 제거하는 연구를 수행한다. 양자상태의 구분가능성은 양자동작의 성공 확률을 저해하는 요소이다. 또한, 브래그산란 사광파혼합이 다른 방법에 비해 가지는 장점에 대해 논의한다. 5장은 주파수 영역에서 NOON 상태간섭을 논의한다. 주파수 영역 양자상태는 고차원 양자상태로 확장가능성으로 인해 최근 많은 주목을 받고 있다. NOON 상태간섭에서 단광자간섭에 비해 2배 높은 진동주파수를 확인했다. 특히, 본 시스템은 능동-안정화 기술 없이도 우월한 안정성을 확인했다. 마지막으로, 6장은 합성차원의 반-PT-대칭 시스템에서 광학적 에너지-차이 보존현상을 보고한다. 반-PT-대칭 시스템은 광섬유에서 유도사광파혼합현상을 이용해서 구현했다. 본 시스템을 이용하여 특이점에서 상전이, 에너지-차이 보존, 동기화된 광세기 진동을 보고했다.