Quantum coherence and correlations in photonic qubits and photoactive hybrid organometallic Perovskite systems

Titelangaben

Melo Luna, Carlos Andres:
Quantum coherence and correlations in photonic qubits and photoactive hybrid organometallic Perovskite systems.
Bayreuth , 2019 . - XXIX, 151 S.
( Dissertation, 2019 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00004350

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Abstract

The past two decades have witnessed tremendous advances and breakthroughs in quantum information science and technology, due mainly to the use of quantum physical resources such as coherence and entanglement. The formalization of the concept of universal quantum computing by D. Deutsch in 1985 has matured into commercial initiatives that aim to accelerate the physical implementation of a practical quantum computer. So far, such quantum technology has been pushed forward as information processors that are mainly on superconducting quantum bits (qubits) based. Other developments make use of quantum states of photons in conjunctions with other quantum registers based on electrons, atoms, molecules, artificial systems, between others. Although in any case, multiple qubit technologies are still under intense research and developments and the temperature and size of the quantum register are essential issues. However, all possible physical implementation of quantum information processing devices have in common the fundamental properties of quantum systems: interference, coherence, and entanglement.
In this thesis, we concerned the study of quantum coherence and entanglement in qubits (encoded on the polarisation basis) and quantum materials (operating at room temperature) to analyze the role of quantum correlations and decoherence for information processing purposes. The current research is divided into two main parts, the first one begins with the analysis of the influence of a birefringent medium over the entanglement of a photonic qubit state. We employ a polarisation maintaining fiber (PMF) as a decohering environment to test the theoretical model in which the symmetry of the coupling between the qubit and environment defines the death and revival of the information correlations. This finding establishes a tool to keep the entanglement independent of the fiber length employing the symmetry properties of the physical system.
Additionally, to demonstrate that the entanglement is not the only crucial factor in information schemes, we employ the prisoner’s dilemma game (in a two parameters strategy space and extended up to three) to evidence that quantum advantages in this protocol are by the quantum superposition instead of the entanglement of the physical system. Here we also pose an experimental setup with photons to verify our findings with photonic qubits.
The second part of the thesis examines a novel nanomaterial which could serve up a bridge to the interaction of photons and electrons toward a physical representation of photonic qubits conditioned by external registers (as electrons or ions). The first stage in this direction considers the implementation of single photon emitters. However, previous to it is necessary to recognize the photophysical capabilities of the Perovskites as structure selected. As a complement, the novelty of this nanostructure allow us to give answers to some open questions in this characterization direction in the frame of this research.
The MA-halide (methylammonium-halide) perovskites are structurally composed by small domains which ranging from nano to micrometer sizes presenting strong photoluminescence intermittency (blinking). We attribute this response to the Auger- nonradiative recombination of additional electrons photogenerated in a trap-filling process due to defects or ion movement. We verified this through the application of an absorbing layer (quencher) of charges of PCBM (Phenyl-C61-butyric acid methyl ester) resulting in considerably decreases in blinking. We also provide a novel technique for real-time observation of the ion movement effect over this material. Additionally, this behavior indicates appropriate conditions for the existence of a few emitters which are useful in quantum protocols and become a motivation to analyze and explain this phenomenon. Then, we prepare two chemical compositions of inorganic Perovskites with a high structural order to explore the necessary conditions to produce single emitter with this material. We visualized the samples through electron microscopy, and both systems were spectrally characterized decreasing dilutions up to observe emission intermittency. We verified the nonclassical behavior of the emission employing a Hanbury Brown-Twiss interferometer by measuring the degree of the second-order coherence correlation function. Finally, but not less important, the additional information presents the laboratories implemented during this doctoral research and the prototype of signals counting device to analyze temporal coincidences in correlated photonic events.

Abstract in weiterer Sprache

In den letzten beiden Dekaden wurden sehr große Fortschritte und Durchbrüche auf dem Gebiet der Quanteninformationstechnologie erzielt, was auf die Aus- nutzung quantenphysikalischer Eigenschaften, wie zum Beispiel Kohärenz und Ver- schränkung, zurückzuführen ist. Im Jahr 1985 entwickelte D. Deutsch das formale Konzept eines universellen Quantencomputers, das mittlerweile von kommerziellen Initiativen aufgegriffen wurde mit dem Ziel, die physikalische Implementierung eines funktionsfähigen Quantencomputers voranzutreiben. Bislang werden haupt- sächlich supraleitende Quantenbits (Qubits) als Grundlage für den Prozessor eines Quantencomputers eingesetzt. Alternative Entwicklungen nutzen Quantenzustände von Photonen aus in Verbindung mit Quantenregistern, die auf Elektronen, Atomen, Molekülen, etc. basieren. Da die Arbeitstemperatur und die Größe der Quanten- register wesentliche Gesichtspunkte für die weitere Entwicklung sind, werden solch unterschiedliche Ansätze für die Implementierung von Quantenprozessoren weiter intensiv untersucht. Trotz dieser verschiedenen physikalischen Implementierungen basieren alle Ansätze auf den fundamentalen Eigenschaften von Quantensystemen, d.h. auf Interferenz, Kohärenz und Verschränkung.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von Quantenkohärenz und Ver- schränkung von Qubits (hier die Polarisationszustände von Photonen) und von Quantenmaterialien (bei Raumtemperatur), um die Rolle von Quantenkorrelatio- nen und Dekohärenz für die Quanteninformationsverarbeitung besser zu verstehen. Im ersten Teil der Arbeit wird analysiert, wie ein doppelbrechendes Medium die Verschränkung eines photonischen Qubits beeinflusst. Eine polarisationserhaltende Faser stellt hier eine Umgebung bereit, die Dekohärenz induziert. Damit konnten wir ein theoretisches Modell testen, in dem die Symmetrie der Wechselwirkung zwis- chen dem Qubit und der Umgebung die Vernichtung und das Wiederaufleben von Informationskorrelation bestimmt. Durch das Ausnutzen dieser Symmetrie konnten wir zeigen, dass die Verschränkung unabhängig von der Faserlänge erhalten wer- den kann. Ergänzend dazu konnten wir anhand des Gefangenen-Dilemma-Spiels demonstrieren, dass Verschränkung von Qubits nicht der einzige wesentliche Faktor in Quanteninformationstechnologien ist, sondern dass auch Quantensuperposition einen Vorteil in der Quantenversion des Gefangenen-Dilemma-Spiels bietet. Im Rahmen dieser theoretischen Arbeit entwickelten wir auch einen Vorschlag für die experimentelle Umsetzung dieses Spiels mit Hilfe photonischer Qubits.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde ein neues Material – Nanostrukturen so genan- nter (metallorganischer) Perovskite – untersucht, das eine Brücke zwischen pho- tonischen und elektronischen Realisierungen von Qubits schlagen könnte. Der erste Schritt in dieser Richtung ist die Implementierung einer Einzelphotonen- quelle basierend auf diesen neuen Materialien. Zunächst wurde aber ein tief- eres Verständnis der photophysikalischen Eigenschaften dieser hier untersuchten Methylammonium-halid Perovskite entwickelt und einige diesbezüglich offene Fragestel- lungen beantwortet.
Filme aus Methylammonium-halid Perovskiten sind strukturell aus Domänen kleiner Einkristalle aufgebaut, deren Größe von Nanometern bis zu einigen Mikrome- tern reicht. Diese Domänen zeigen starke Photolumineszenz-Intermittenz, die auf nicht-strahlende Auger-Rekombination mit zusätzlichen photogenerierten Ladungen zurückzuführen ist. Dieser Effekt konnte durch das Aufbringen eines "Quencher"- Films aus dem C60-Derivat PCBM verifiziert werden. Durch Elektronentransfer zum PCBM wird die Dichte der Ladungen im Perovskit-Film reduziert, was die Intermittenz signifikant reduziert. In diesem Zusammenhang entwickelten wir auch einen neuen Ansatz, um die Bewegung von Ionen im elektrischen Feld im Perovskit in Echtzeit zu verfolgen.
Das Auftreten der Intermittenz in Perovskit-Filmen war ein klarer Hinweis, dass Perovskit-Nanostrukturen grundsätzlich als Einzelphotonenquelle in Frage kom- men und für Quantenprotokolle eingesetzt werden können. Daher untersuchten wir dieses Phänomen an zwei chemisch unterschiedlichen anorganischen Perovskit- Nanokristallen mit hoher struktureller Ordnung. Basierend auf elektronenmikroskopis- chen und spektralen Messungen, reduzierten wir die Konzentration der Nanokristalle, bis wir auch in diesem System Intermittenz beobachten konnten. Das nicht- klassische Verhalten der Emission wiesen wir durch die Messung der Kohärenz- Korrelationsfunktion zweiter Ordnung durch ein Hanbury-Brown-Twiss Interferometer nach.
Den Abschluss dieser Arbeit bildet die Beschreibung der Messplätze in neuen La- boren an der Universidad del Valle in Cali, die im Rahmen dieser Arbeit realisiert wurde. In diesem Zusammenhang wurde auch ein Prototyp eines Photonenzählers entwickelt, der zum Nachweis zeitlicher Koinzidenzen bei korrelierter Photonenemission dient.