Effects of photon statistics on quantum random number generators and photon detection efficiency

Abstract

The effects of photon statistics on different quantum applications are explained in this thesis. There are mainly two sections: the first section focuses on the randomly bunched and coherently bunched photons' continuous detection. The second section focuses on the anti-bunched single-photon behavior and its single-photon detection. Random numbers are essential resources in cryptography, simulation technologies, and finance. The intrinsic behavior of quantum mechanics makes quantum systems a perfect source of entropy. Quantum random number generation (QRNG) is one of the most preferred quantum technologies with many alternative generation methods. Therefore, among the different technologies in quantum random number generation from the primal applications based on radioactive decay to the multiple ways to use the quantum states of light to gather entropy from a quantum base I have chosen to use the vacuum fluctuation method. In the first part of the thesis, the photon statistics of thermal and coherent light sources and their scatterings are compared. The sources with super-Poissonian distribution are shown to have better randomness than the Poisson distribution. The optimal sampling rate is obtained when the under-sampling is set as two times the lag point for the minimum autocorrelation of the scattered signal. The use of scattering mechanisms as an entropy source increased the speed and shortened the post-processing procedure significantly, opening the way for higher-speed QRNG generation technologies. In the second part of the thesis, I introduce an entanglement-based sensing protocol that achieves a signal to noise ratio (SNR) improvement over the optimal classical scheme in a highly lossy and noisy environment that completely breaks the initial entanglement property. Under high noise conditions, which might occur from the devices used in the experiment or the imperfections sources from the open system of the setup the heralding loss will be high. It is observed that the detectors also show measurement errors, under the effect of high noise conditions and from the limitations caused by their timing jitters. The biased behavior of the detectors in near saturation conditions is supported by the cross-correlogram measurements. Emphasis was placed on the unreliability in the detections when exceeding its limitations. In such conditions, it is not possible to use the quantum advantage of the system without making any adjustments. With the application presented in this section, the result of quantum sensing clearly demonstrates that a quantum resource can be utilized beneficially even when its initial non-classical character is lost, knowing all its shortcomings and limitations.

Foton istatistiklerinin farklı kuantum uygulamaları üzerindeki etkileri bu tezde açıklanmaktadır. Temel olarak iki bölüm vardır: Birinci bölüm rastgele demetlenmiş ve eşevreli demetlenmiş fotonların sürekli ölçümü üzerinedir. İkinci bölüm demetlenmemiş tek foton davranışına ve onun tek foton ölçümüne odaklanmaktadır. Rastgele sayılar kriptografide, simülasyon teknolojilerinde ve finansta temel kaynaklardır. Kuantum mekaniğinin içsel davranışı, kuantum sistemlerini mükemmel bir entropi kaynağı yapar. Kuantum rastgele sayı üretimi (KRSÜ), birçok alternatif üretim yöntemi ile en çok tercih edilen kuantum teknolojilerinden biridir. Bu nedenle, radyoaktif bozunmaya dayalı ilk uygulamalardan, kuantum tabanından entropi toplamak için ışığın kuantum durumlarını kullanmanın çoklu yollarına kadar olan kuantum rasgele sayı üretimindeki farklı teknolojiler arasından vakum dalgalanma yöntemini kullanmayı seçtim. Tezin bahsedilen birinci bölümünde termal ve koherent ışık kaynaklarının foton istatistikleri ve saçılmaları karşılaştırılmıştır. Süper Poisson dağılımına sahip kaynakların Poisson dağılımından daha iyi rastgeleliğe sahip olduğu gösterilmiştir. Optimum örnekleme oranı, yetersiz örnekleme, saçılan sinyalin minimum otokorelasyonu için gecikme noktasının iki katı olarak ayarlandığında elde edilir. Saçılma mekanizmalarının bir entropi kaynağı olarak kullanılması, hızı arttırdı ve son işlem prosedürünü önemli ölçüde kısalttı, daha yüksek hızlı KRSÜ üretim teknolojilerinin yolunu açtı. Tezin ikinci bölümünde başlangıçtaki dolaşıklık özelliğini tamamen kıran, oldukça kayıplı ve gürültülü bir ortamda optimal klasik şema üzerinde bir sinyal gürültü oranı (SNR) iyileştirmesi sağlayan dolaşıklık tabanlı bir algılama protokolünü tanıtıyorum. Deneyde kullanılan cihazlardan veya kurulumun açık sisteminden kaynaklanan kusur, kaynaklar oluşabilecek yüksek gürültü koşullarında haberci kaybı yüksek olacaktır. Buna bağlı olarak dedektörlerin ayrıca yüksek gürültü koşullarının etkisi altında ve zamanlama jitterlerinden kaynaklanan sınırlamalardan dolayı ölçüm hataları gösterdiği gözlemlenmiştir. Dedektörlerin doygunluğa yakın koşullarda yanıltıcı davranışı, çapraz korelasyon ölçümleriyle desteklenir. Doygunluk bölgesi ve doygunluk sınırları aşıldığında yanıltıcı ölçüm yapabilen bu cihazların güvenilmezliğene vurgu yapıldı. Bu gibi durumlarda herhangi bir düzenleme yapmadan sistemin kuantum avantajından yararlanmak mümkün olmadığı açıklandı. Bu bölümde sunulan özel teknikli kuantum algılama sistemi sonucu, bir kuantum kaynağının, tüm eksiklikleri ve sınırlamaları bilinerek başlangıçtaki klasik olmayan özelliği kaybolduğunda bile faydalı bir şekilde kullanılabileceğini açıkça gösterilmektedir.