Interferencia de Dos Fotones con un Divisor de Haz 4 × 4 de Fibra Óptica Multinúcleo.

Abstract

La motivación de esta tesis está impulsada por el reciente desarrollo de divisores de haces de fibra óptica de cuatro núcleos de alta calidad, lo cuales alcanzan una relación de división casi perfecta del 25% entre los cuatro núcleos que se encuentran en el mismo material de revestimiento. Una aplicación importante de estos divisores de haces ópticos en el contexto de información cuántica, es la realización de interferencia de dos fotones, ya que es un fenómeno fundamental para el procesamiento de información de tecnologías cuánticas fotónicas. Aun más, constituye la base para realizar medidas de estados máximamente entrelazados y puede utilizarse para producir correlaciones cuánticas. Como primera investigación, usando estados coherentes débiles de entrada para estudiar la interferencia de cuarto orden en un divisor de haz de fibra óptica de cuatro núcleos, mostramos experimentalmente que las correlaciones cuánticas, en forma de discordia geométrica, pueden ser controladas y máximizadas al manipular la intensidad de los estados de entrada. Como segunda investigación, diseñamos y estudiamos teóricamente un analizador de estados de Bell fotónico para estados de dimensión cuatro. Con interferencia de dos fotones en un par de divisores de haces de cuatro núcleos, logramos discriminar de manera óptima los 4 × 4 estados de Bell, lo que da lugar a siete salidas. Luego, mostramos que con un par de fotones ancilla entrelazados podemos identificar probabilíticamente (pero inequívocamente) un sólo estado de Bell. Esta tesis debería contribuir al uso de correlaciones cuánticas y la implementación de mediciones de Bell en protocolos de comunicación cuántica en las redes de telecomunicaciones futuras, en particular, aquellas que aprovechan las fibras estructuradas espacialmente.

The motivation of this thesis is driven by the recent development of high-quality four-core optical fiber beamsplitters, which achieve a near-perfect 25% split ratio between the four cores placed within the same cladding material. An important application of these optical beamsplitters in the context of quantum information is the realization of two-photon interference, as it is a fundamental phenomenon for information processing of photonic quantum technologies. Moreover, it forms the basis for performing measurements of maximally entangled states and can be used to produce quantum correlations. As a first investigation, using weak coherent input states to study fourth-order interference in a four-core optical fiber beam splitter, we show experimentally that quantum correlations, in the form of geometric discord, can be controlled and maximized by manipulating the intensity of the input states. As a second investigation, we design and theoretically studied a photonic Bell state analyzer for four-dimensional states. With two-photon interference in a pair of four-core beam splitters, we achieve optimal discrimination of the 4×4 Bell states, resulting in seven outcomes. Then, we show that with a pair of entangled ancilla photons, we can probabilistically (yet unequivocally) identify a single Bell state. This thesis should contribute to the exploitation of quantum correlations and the implementation of Bell measurements in quantum communication protocols in future telecommunication networks, in particular, those that take advantage of spatially structured fibers.