Gain and loss in quantum optical systems

• Autores: Osmery Hernández Martínez
• Directores de la Tesis: Iñigo Liberal (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Pública de Navarra ( España ) en 2024
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 176
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Tecnologías de las Comunicaciones, Bioingeniería y de las Energías Renovables por la Universidad Pública de Navarra
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Academica-e
• Resumen
  • español

    Las pérdidas solían considerarse una némesis en la óptica, que siempre debía evitarse o compensarse. En cambio, la ganancia supondría un recurso valioso, permitiendo mitigar las pérdidas y aumentar la potencia de la señal. Sin embargo, la investigación ha difuminado dichos límites, demostrando que el papel de ambas no puede catalogarse simplemente de esta manera. Por ejemplo, las pérdidas dan acceso a efectos no lineales en dispositivos lineales, y la ganancia lineal introduce ruido adicional en un sistema cuántico. Es indiscutible que sus roles en la óptica cuántica no pueden ignorarse, y este es el camino que sigue esta tesis doctoral. En primer lugar, se presenta un método general para calcular las relaciones entrada-salida en cualquier dispositivo lineal con pérdidas de N puertos. El método, basado en la descomposición en valores singulares (SVD, por sus siglas en inglés), permite analizar la interferencia cuántica en el dispositivo y, al mismo tiempo, proporciona una imagen intuitiva de su principio de funcionamiento clásico. La aplicabilidad del método se demuestra aplicándolo al análisis diferentes dispositivos recíprocos y no recíprocos. En particular, el uso de este procedimiento basado en SVD para analizar la interferencia cuántica en un divisor de potencia Wilkinson (WPD, por sus siglas en inglés) revela fenómenos interesantes en el dispositivo. Se demuestra teóricamente que los WPDs dan acceso a transformaciones de estado cuántico de absorción coherente perfecta (CPA, por sus siglas en inglés) en redes CPA de dimensiones reducidas y un menor número de elementos, lo que podría contribuir a disminuir el tamaño y la complejidad en redes ópticas. Además, simulaciones numéricas realizadas sugieren que los WPD pueden diseñarse en una plataforma de silicio sobre aislante aprovechando las pérdidas radiativas. También se investigan sistemas ópticos balanceados con ganancia y pérdidas. En particular, se propone un método que identica los modos propios cuánticos fotónicos de la evolución espacial en guías de onda acopladas ganancia-pérdida, indicando que las estadísticas asociadas podrían medirse utilizando técnicas estándares de detección. De este modo, se estudia la generación de ruido en diferentes guías de onda acopladas, enfatizando su relación con la naturaleza lineal o no lineal del mecanismo de ganancia/pérdida. La existencia de puntos de transición de fase en la estructura de los valores/vectores propios, la posibilidad de que mecanismos de ganancia y pérdida de distinta naturaleza se compensen entre sí, y las propiedades no triviales de las uctuaciones del sistema son algunos de los resultados del estudio presentado, contribuyendo así a una mejor comprensión de los sistemas cuánticos no hermitianos. Por último, pero no por ello menos importante, se presentan resultados relevantes asociados a la teoría de la dispersión. El teorema óptico generalizado se utiliza para derivar los límites superiores de la sección transversal de retrodispersión con polarización cruzada de sistemas integrados con un plano de masa. Además, se identifican estrategias viables para diseñar estos retrodispersores basados en sistemas de dispersión altamente directivos.

  • English

    Loss was typically considered a nemesis to optics, which should always be avoided or compensated. On the other hand, gain would be a valuable asset, allowing for mitigating losses and increasing the signal power. However, research has blurred those boundaries, demonstrating that their role can not be simply categorized this way. For instance, loss gives access to nonlinear eects in linear devices, and linear gain introduce additional noise to a quantum system. Undeniably, their role in quantum optics can not be ignored, and this is the path this Ph.D. dissertation follows. First, a general method to compute the input-output relations in any lossy linear N-port device is presented. The method, based on the singular value decomposition (SVD), allows for the analysis of quantum interference in the device and, at the same time, provides an intuitive picture of its classical operation principle. The method's applicability is demonstrated by using dierent reciprocal and nonreciprocal devices. In particular, using this SVD-based procedure to analyze quantum interference in a Wilkinson power divider (WPD) reveals interesting physics in the device. It is theoretically demonstrated that WPDs grant access to coherent perfect absorption (CPA) quantum state transformations in CPA networks with a smaller footprint and a reduced number of elements, which might contribute to reducing the size and complexity of optical networks. Additionally, numerical simulations suggest that WPDs can be designed in a pure silicon-on-insulator platform by taking advantage of radiative losses. Balanced gain-loss optical systems are also investigated. In particular, a method that identies the photonic quantum eigenmodes of the spatial evolution in coupled gain-loss waveguides is proposed, indicating that the associated statistics could be measured using standard detection techniques. Therefore, the noise generation in dierent coupled waveguides is studied, emphasizing its relation with the linear or nonlinear nature of the gain/loss mechanism. The existence of phase transition points in the eigenvalue/eigenvector structure, the possibility of gain and loss mechanisms of different nature to compensate for each other, and the nontrivial properties of the system's uctuations are some of the outcomes of the presented study, thus contributing to a better understanding of non-Hermitian quantum systems. Last but not least, relevant results on scattering theory are presented. The generalized optical theorem is used to derive upper bounds on the cross-polarized backscattering cross-section of systems integrated with a ground plane. Moreover, viable strategies to design these backscatterers based on highly-directive scattering systems are identied.