Squeezed and Entangled Light: From Foundations of Quantum Mechanics to Quantum Sensing

Abstract

Squeezed and entangled states have proven to be valuable resources in optical quantum sensing and pushing forward measurement sensitivities. However, their potential is not yet fully explored. In the first part of my thesis, I show the experimental quantum enhancement of a squeezed light operated Mach-Zehnder interferometer. I measured a non-classical sensitivity improvement of more than a factor of ten, corresponding to (10.5±0.1) dB, which is the equivalent of a 11.2-fold increase in coherent light power. Further, my thesis proposes a novel concept on direct absorption (loss) measurements within the Mach-Zehnder topology. The technique uses quantum correlated bipartite squeezed light beams to measure the transmission through a sample placed in one arm of the Mach-Zehnder interferometer. My proof-of-principle experiment demonstrates, that the loss is independent of the used photodiodes’ quantum efficiency. Beyond that, the concept may become a powerful tool for optical measurements in biosensing with integrated quantum photonic devices. Light-sensitive samples are particularly vulnerable to high powers under illumination by bright light, and such measurements will benefit from the extremely low intensity of squeezed light. In the second part of my thesis, I demonstrate how to surmount quantum uncertainty in sensing dynamical systems. For the first time, a phase space trajectory with sub-Heisenberg indeterminacy with respect to an entangled quantum reference is realized. The time evolution is unconditionally monitored with a precision ten times higher than any quantum mechanical system without correlations. I measured the phase and amplitude quadrature simultaneously with a remaining indeterminacy of ∆X(t)∆Y(t) ≈ 0.1 ℏ/2. The result supports quantum technologies for entanglement-enhanced sensors and substantiates an enhanced physical description of quantum uncertainty relations. From this perspective, I revisit Heisenberg’s uncertainty relation and conclude that it sets a lower bound to the indeterminacy of two conjugate observables with respect to a reference system that has been coupled to the environment.

Gequetschte und verschränkte Lichtzustände haben sich auf dem Gebiet der optischen Sensorik als wichtige Resourcen erwiesen. Dennoch ist ihr Potential nicht vollständig erforscht. Im ersten Teil meiner Arbeit, zeige ich experimentell die Quantenverbesserung durch ein mit gequetschtem Licht betriebenes Mach-Zehnder Interferometer. Ich habe eine nicht-klassische Verbesserung von (10.5±0.1) dB erreicht, welches einer 11.2-fachen Erhöhung der Lichtleistung entspricht. Im weiteren wird in meiner Arbeit ein neuartiges Konzept zur Absorptionsmessung (bzw. Verlustmessung) im Rahmen der Mach-Zehnder Topologie vorgeschlagen. Das Prinzip basiert auf der Korrelation zwischen den gequetschten Lichtzuständen in den beiden Armen des Interferometers. Diese wird ausgenutzt, um die Transmission durch eine Probe in einem der beiden Armen zu messen. Zum Beweis der zugrundeliegenden Idee habe ich ein Experiment durchgeführt, bei dem gezeigt wird, dass die Absorption unabhängig von der Quanteneffizienz der verwendeten Photodioden ist. Darüber hinaus kann dieses Konzept als ein wirkungsvolles Instrument im Bereich der Biosensorik in optischen Messungen mit integrierten photonischen Bauelementen eingesetzt werden. Insbesondere betrifft das solche Messungen, bei denen Proben, die äußerst empfindlich auf starke Beleuchtung mit hoher Lichtleistung reagieren, von der sehr niedrigen Intensität des gequetschten Lichtes profitieren. Im zweiten Teil meiner Arbeit zeige ich, wie die Quantenunschärfe bei der Erfassung von dynamischen Systemen überwunden werden kann. Zum ersten mal wurde eine Trajektorie mit einer sub-Heisenberg Unbestimmtheit, in Bezug zu einer verschränkten Quantenreferenz, realisiert. Die zeitliche Entwicklung wurde ohne vorherige Informationen direkt beobachtet, die zudem eine zehnmal höhere Präzision erreichte im Vergleich zu einem quantenmechanischen System ohne Korrelationen. Ich habe die Phasen- und Amplituden-Quadraturen mit einer verbleibenden Unbestimmtheit von ∆X(t)∆Y(t) ≈ 0.1 ℏ/2 gleichzeitig gemessen. Dieses Ergebnis eröffnet nicht nur neue Wege zur Anwendung von Quantentechnologien mit verschränkungsbasierten Sensoren, sondern bestärkt eine erweiterte physikalische Beschreibung von quantenmechanischen Unschärferelationen. Aus dieser Perspektive heraus reflektiere ich die Heisenbergsche Unschärferelation und schließe daraus, dass sie eine untere Grenze der Unbestimmtheit zweier konjugierter Observablen in Bezug zu einem Referenzsystem setzt, dass an die Umgebung gekoppelt ist.