Controlling Pulsed Quantum Emission: From State Transfer to Superradiance

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Kontrolle der Emission zweier unterschiedlicher quantenmechanischer Systeme. Einerseits untersuchen wir die Emission einzelner Quantenemitter mit dem Ziel des Transfers von Quantenzuständen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden zeigen wir, dass ein solcher Transfer auch passiv, d.h. ohne explizite Zeitabhängigkeit des Systems, realisiert werden kann. Am Beispiel einer Maxwell-Fischaugen-Linse demonstrieren wir, wie Systeme der klassischen Photonik den Transfer unterstützen können. Wir untersuchen dann die Zustandsübertragung in Wellenleitern auf der Basis von frequenzabhängigen Kopplungen, wie sie sich in sogenannten giant atoms finden. Zuletzt zeigen wir den passiven Transfer auf der Basis einer speziell angepassten Dispersionsrelation im Wellenleiter.Als zweiten Fokus betrachten wir in der Arbeit den superradianten Zerfall eines Ensembles aus Stickstoff-Fehlstellen-Zentren, das an einen Mikrowellenresonator gekoppelt ist. Durch die Kontrolle der Kopplung zwischen Ensemble und Resonator lässt sich die Emission unterdrücken oder auch auslösen. Wir zeigen zudem, dass das Ensemble schwache Mikrowellen-Pulse verstärken kann. Darüber hinaus ermöglicht die effiziente Kontrolle der Emitter-Resonator-Kopplung die Untersuchung weiterführender Prozesse im System. Insbesondere zeigen wir, dass Emitter innerhalb des Ensembles über Dipol-Dipol-Wechselwirkungen ein dichtes Netzwerk bilden, über das Energie ausgetauscht werden kann. Dies ermöglicht es schließlich, das Emitter-Resonator-System vorübergehend als selbstgetriebenen Maser zu betreiben.

In this thesis, we shed light on two ways of controlling the emission from quantum emitters. On the one hand, we study the emission of single quantum systems for quantum state transfer. As opposed to established schemes, we engineer electromagnetic environments to support perfect state transfer passively, i.e., without explicit time-dependence of the setup. Using a Maxwell-Fish-Eye lens, we show how such passive state transfer may be aided by concepts from classical photonics. We then show how the temporal properties of the emission may be shaped using frequency-dependent couplings as they naturally emerge in giant atoms. Lastly, we demonstrate that passive quantum state transfer may also be achieved by engineering the waveguide dispersion. On the other hand, we consider an ensemble of nitrogen-vacancy centers in diamond coupled to a microwave cavity. By controlling the interaction of the ensemble with the cavity, we can suppress and trigger its emission. Moreover, we show that the ensemble may be operated as a gain medium to amplify weak microwave pulses. Having gained control over the spin-cavity coupling, we employ it to establish the relevance of dipole-dipole interactions in the ensemble. We show that the interactions link the nitrogen-vacancy centers to form a dense network that is capable of redistributing its energy across different frequencies. This eventually renders the system a transient, self-sustained maser.