Entangled photon pair source for free-space quantum communication

Gonçalo Lobato Baptista Teixeira

Key information

Authors:

Gonçalo Lobato Baptista Teixeira (Gonçalo Lobato Baptista Teixeira)

Supervisors:

João Carlos Carvalho de Sá Seixas (João Carlos Carvalho de Sá Seixas); Yasser Rashid Revez Omar (Yasser Rashid Revez Omar)

Published in

12/19/2022

Abstract

Informação é um dos recursos mais valiosos do mundo e a informação quântica visa trazer um novo paradigma. Um dos ingredientes essenciais para as tecnologias de fotónica quântica, em particular comunicações quânticas seguras, são fontes de pares de fotões entrelaçados. O entrelaçamento quântico é uma propriedade particular dos sistemas quânticos que permite a implementação de comunicações seguras que de outra forma seriam impossíveis com informação clássica. Uma fonte de pares de fotões entrelaçados pode ser usada adicionalmente como Heralded Single Photon Source (HSPS) para experiências ópticas de Quantum Key Distribution (QKD). Nesta tese, desenvolvemos uma fonte de pares de fotões para telecomunicações em espaço livre capaz de produzir estados quânticos de alta qualidade. Para gerar entrelaçamento quântico, usamos um processo óptico não linear chamado Spontaneous Parametric Down Conversion (SPDC), que gera pares de fotões correlacionados. Caraterizamos estes pares usando um interferómetro Hong-Ou-Mandel (HOM) para medir e compensar o seu atraso temporal. Também usámos o Bell State Analyzer para medir a qualidade do entrelaçamento. Em adição, desenvolvemos um design preliminar para um emissor de estados quânticos ótico miniaturizado que serve como base para o design do primeiro nano satélite português para comunicações quânticas. Information is one of the world's most valuable resources, and quantum information aims to bring this matter to a new paradigm. One of the essential ingredients for photonic quantum technologies, namely secure quantum communications, are entangled photon pair sources. Entanglement is a particular property of quantum systems that allows the implementation of secure communications that would be impossible using classical information. An entangled photon pair source may additionally be used as a Heralded Single Photon Source (HSPS) for optical implementations of Quantum Key Distribution (QKD). In this thesis, we developed a photon pair source for free-space telecommunications, capable of producing high-quality quantum states. To produce quantum entanglement, we used a nonlinear optical process called Spontaneous Parametric Down Conversion (SPDC), which generates correlated pairs of photons. We characterize the photon pairs using a Hong-Ou-Mandel (HOM) interferometer to measure and compensate for their temporal delay. We employed a Bell State Analyzer to measure the quality of entanglement attained. Additionally, we developed a preliminary design for a miniaturized quantum state emitter optical payload, which serves as a basis for the design of the first Portuguese nanosatellite for quantum communications.