Quantumness of the photonic blockade effect

Abstract

The present thesis aims to investigate the photon blockade effect, understood as a phenomenon in which the presence of a single photon inhibits further photons, effectively transforming a system into one that emits one photon at a time. This effect can be classified into two categories: The conventional photon blockade, which relies on the nonlinearities of a system, and the unconventional photon blockade, which employs quantum interference between two paths to cancel the probability to access a particular state.

In order to investigate the underlying physical mechanisms of these two forms of blockades, this thesis employs numerical solutions of master equations, complemented by the application of analytical techniques for determining optimal conditions for each type of blockade. Specifically, the study finds that the driven dissipative Jaynes-Cummings model represents an ideal scheme in which both mechanisms are exhibited simultaneously. This enables the analysis of the photon blockade mechanism in a unique and experimentally feasible setup, such as a cavity-QED scheme composed of a semiconductor quantum dot grown inside a micropillar. Additionally, intrinsic differences between both blockade mechanisms are uncovered through the utilization of the theory of frequency-filtered correlations and the integration of dissipative mechanisms such as phonon-mediated coupling.

Furthermore, new criteria for the theoretical classification based on the study of higher-order correlation functions are employed to analyze the numerical solutions of the model, determining if the systems can act as single photon sources. Moreover, the research applies the aforementioned tools to study a system that consists of an elliptical microcavity with an embedded quantum dot, subject to external excitation by a laser and a magnetic field. The optimal conditions for generating conventional photon blockade in this system were identified, constituting it to act as a single photon polarization switch.

This thesis, therefore, provides a comprehensive examination of the photon blockade effect, which could be used in the future for developing high-quality single photon sources, helping for the implementation of quantum technologies

La presente tesis tiene como objetivo investigar el efecto de bloqueo de fotones, entendido como un fenómeno en el cual la presencia de un solo fotón inhibe la emisión de más fotones, transformando efectivamente un sistema en uno que emite un fotón a la vez. Este efecto se puede clasificar en dos categorías: el bloqueo de fotones convencional, que se basa en las no linealidades de un sistema, y el bloqueo de fotones no convencional, que emplea la interferencia cuántica entre dos trayectorias para cancelar la probabilidad de acceder a un estado particular.

Con el fin de investigar los mecanismos físicos subyacentes de estas dos formas de bloqueo, esta tesis utiliza soluciones numéricas de ecuaciones maestras, complementadas con la aplicación de técnicas analíticas para determinar las condiciones óptimas para cada tipo de bloqueo. Específicamente, el estudio encuentra que el modelo de Jaynes-Cummings bombeado y disipativo representa un esquema ideal en el que ambos mecanismos se exhiben simultáneamente. Esto permite el análisis del mecanismo de bloqueo de fotones en una configuración única y experimentalmente factible, como un esquema de cavidad-QED compuesto por un punto cuántico semiconductor crecido dentro de un micro-pilar. Se descubren a su vez diferencias intrínsecas entre ambos mecanismos de bloqueo a través de la utilización de la teoría de correlaciones filtradas por frecuencia y la integración de mecanismos disipativos como el acoplamiento mediado por fonones. Además, se emplean nuevos criterios para la clasificación teórica basada en el estudio de funciones de correlación de orden superior para analizar las soluciones numéricas del modelo, determinando si los sistemas pueden actuar como fuentes de un solo fotón. Complementario a ello, la investigación aplica las herramientas mencionadas para estudiar un sistema que consiste en una microcavidad elíptica con un punto cuántico incrustado, sujeto a excitación externa por un láser y un campo magnético. Se identificaron las condiciones óptimas para generar un bloqueo de fotones convencional en este sistema, lo que lo convierte en un interruptor de polarización de un solo fotón. Esta tesis, por lo tanto, proporciona un examen exhaustivo del efecto de bloqueo de fotones, que podría en el futuro servir para desarrollar fuentes de fotones individuales de alta calidad, que ayuden a la implementación de tecnologías cuánticas