Characterization of classical light fields for quantum applications via optical homodyne tomography

Abstract

The goal of this work is to examine the coherence of classical light fields in order to assess their usefulness for quantum-informational tasks and to draw conclusions about the properties of the light source. To this end, we use and extend several optical homodyne tomography techniques employing four-port, eight-port, and sixteen-port detection schemes. To understand the role of coherence of a light field in solving a quantum informational task such as coherent qubit control, we begin by analyzing the qubit excitation process from a resource-theoretical perspective. By simulating the light-matter interactions, we demonstrate how the quantum coherence of the driving light field emerges as a key ingredient for coherent qubit control. At the same time, we show how the presence of thermal noise or dephasing significantly degrades the achievable quantum coherence of the light field. After studying the coherence properties of conventional lasers, we turn to non-conventional coherent light sources and investigate the emission of a non-resonantly excited exciton-polariton condensate. By employing long-lived polaritons and minimizing interactions with the reservoir, we optimize the condensation process and achieve a pronounced buildup of quantum superpositions in the condensate immediately above the condensation threshold. Finally, we shift our focus entirely to the matter system itself and use the coherence of the emitted light field to investigate its dynamics. For this purpose, we introduce a sixteen-port detection scheme that enables non-stationary and conditional analyses tailored to the requirements of semiconductor spectroscopy. Benchmarking the setup with a thermal light field, then demonstrate how we can resolve the stochastic fluctuations of the thermal state on the femtosecond level. Overall, our results establish connections between quantum optics, quantum information science, and semiconductor physics, providing insights relevant for quantum technologies and future hybrid quantum devices.Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Kohärenzeigenschaften klassischer Lichtfelder zu untersuchen, um ihre Eignung für quanteninformationstechnische Aufgaben zu bewerten und Rückschlüsse auf die Eigenschaften der Lichtquelle zu ziehen. Zu diesem Zweck nutzen und erweitern wir verschiedene Techniken der optischen homodynen Tomographie unter Einsatz von Vierport-, Achtport- und Sechzehnportdetektor Setups. Um zunächst die Rolle der Kohärenz eines Lichtfeldes bei der Lösung eines quantuminformationstechnischen Problems wie der Manipulation von Qubits zu verstehen, beginnen wir die Analysen, indem wir den Qubitanregungsprozess aus einer quantenresourcentheoretischen Perspektive betrachten. Hierzu simulieren wir die Licht-Materie-Wechselwirkungen und zeigen, dass die Quantenkohärenz des treibenden Lichtfeldes die Schlüsselkomponente für die Preparation kohärenter Superpositionszustände ist. Gleichzeitig zeigen wir, wie thermische Fluktuationen oder Dephasierung die Quantenkohärenz des Lichtfeldes signifikant reduzieren. Nachdem wir die Kohärenzeigenschaften zunächst an konventionellen Lasern studiert haben, wechseln wir nun zu unkonventionellen kohärenten Lichtquellen und untersuchen die Emission eines nichtresonant angeregten Exziton-Polariton-Kondensates. Indem wir langlebige Polaritonen verwenden und zusätzlich die Wechselwirkungen mit dem inkohärenten Reservoir minimieren, erreichen wir die Ausbildung kohärenter Quantensuperpositionen innerhalb des Kondensats direkt oberhalb der Kondensationsschwelle. Zuletzt fokussieren wir uns vollständig auf die Lichtquelle und untersuchen die Kohärenzeigenschaften des emittierten Lichtfeldes, um dessen Dynamiken zu bestimmen. Zu diesem Zweck führen wir einen Sechzehnportdetektor ein, welcher es uns erlaubt, nichtstationäre und konditionale Analysen durchzuführen, angepasst an die Anforderungen der Halbleiterspektroskopie. Anhand des Benchmarks mit einem thermischen Lichtfeldes demonstrieren wir, dass wir die stochastischen Prozesse innerhalb des Lichtfeldes mit Femtosekundengenauigkeit auflösen können. Zusammenfassend verbinden unsere Ergebnisse Quantenoptik, Quanteninformationswissenschaften und Halbleiterphysik und geben Einblicke, die relevant für Quantentechnologien und zukünftige hybride Quantengeräte sind.