Quantum-Enhanced Nonlinear Spectroscopy

این پایان نامه بر روی طیف سنجی غیرخطی از دیدگاه اپتیک کوانتومی تمرکز دارد. اول، مقدمه ای مفصل برای سیگنال های نوری غیرخطی ارائه می کند. با شروع از فرمالیسم شمارش فوتون گلابر، فرمول نموداری را ایجاد می کند که ستون فقرات طیف سنجی مولکولی غیرخطی را تشکیل می دهد. بدنه اصلی این پایان نامه تأثیر همبستگی های کوانتومی در حالات فوتون درهم تنیده را بر روی انتقال دو فوتون، با تمرکز ویژه بر عدم قطعیت زمان-انرژی، که وضوح زمان و فرکانس همزمان ممکن را در اندازه گیری ها محدود می کند، بررسی می کند. دریافت که این می تواند با نور درهم تنیده برای انتقال فردی نقض شود. سپس این پایان‌نامه شبیه‌سازی‌های آزمایشی احتمالی را ارائه می‌کند که می‌توانند از این مزیت کوانتومی استفاده کنند. فصل آخر به کاربرد میدان در حال رشد طیف‌سنجی چند بعدی برای زنجیره‌های یونی به دام افتاده اختصاص دارد، جایی که از آن برای بررسی خواص غیرتعادلی در شبیه‌سازی‌های کوانتومی استفاده می‌شود.

This thesis focuses on nonlinear spectroscopy from a quantum optics perspective. First, it provides a detailed introduction to nonlinear optical signals; starting from Glauber’s photon counting formalism, it establishes the diagrammatic formulation, which forms the backbone of nonlinear molecular spectroscopy. The main body of the thesis investigates the impact of quantum correlations in entangled photon states on two-photon transitions, with a particular focus on the time-energy uncertainty, which restricts the possible simultaneous time and frequency resolution in measurements. It found that this can be violated with entangled light for individual transitions. The thesis then presents simulations of possible experimental setups that could exploit this quantum advantage. The final chapter is devoted to an application of the rapidly growing field of multidimensional spectroscopy to trapped ion chains, where it is employed to investigate nonequilibrium properties in quantum simulations.