stringtranslate.com

Спонтанное параметрическое преобразование с понижением частоты

Схема процесса SPDC. Обратите внимание, что законы сохранения относятся к энергии и импульсу внутри кристалла.

Спонтанное параметрическое понижающее преобразование (также известное как SPDC , параметрическая флуоресценция или параметрическое рассеяние ) — это нелинейный мгновенный оптический процесс, который преобразует один фотон более высокой энергии (а именно, фотон накачки) в пару фотонов (а именно, сигнальный фотон и холостой фотон) меньшей энергии, в соответствии с законом сохранения энергии и законом сохранения импульса . Это важный процесс в квантовой оптике , связанный с генерацией запутанных пар фотонов и одиночных фотонов.

Основной процесс

Схема SPDC с выходом типа I.
Видео эксперимента, показывающее колебания вакуума (в красном кольце), усиленные SPDC (соответствует изображению выше)

Нелинейный кристалл используется для создания пар фотонов из фотонного луча. В соответствии с законом сохранения энергии и законом сохранения импульса пары имеют объединенные энергии и импульсы, равные энергии и импульсу исходного фотона. Поскольку показатель преломления изменяется с частотой ( дисперсия ), только определенные тройки частот будут синхронизированы по фазе, так что может быть достигнуто одновременное сохранение энергии и импульса. Синхронизм чаще всего достигается с использованием двулучепреломляющих нелинейных материалов, показатель преломления которых меняется в зависимости от поляризации. В результате этого различные типы SPDC классифицируются по поляризации входного фотона (накачки) и двух выходных фотонов (сигнального и холостого). Если сигнальный и холостой фотоны имеют одинаковую поляризацию друг с другом и с разрушенным фотоном накачки, это считается SPDC типа 0; [1] если сигнальный и холостой фотоны имеют одинаковую поляризацию друг к другу, но ортогональны поляризации накачки, это SPDC типа I; и если сигнальный и холостой фотоны имеют перпендикулярную поляризацию, это считается SPDC типа II. [2]

Эффективность преобразования SPDC обычно очень низкая, при этом наивысшая эффективность достигается порядка 4x10 -6 входящих фотонов для PPLN в волноводах. [3] Однако, если одна половина пары обнаружена в любой момент, то известно, что ее партнер присутствует. Вырожденная часть выходного сигнала понижающего преобразователя типа I представляет собой сжатый вакуум , содержащий только члены с четным числом фотонов . Невырожденный выход понижающего преобразователя типа II представляет собой двухрежимный сжатый вакуум.

Пример

Схема SPDC с выходом типа II

В широко используемой конструкции устройства SPDC сильный лазерный луч , называемый лучом «накачки», направляется на кристалл BBO (бета-борат бария) или ниобата лития . Большинство фотонов проходят прямо через кристалл. Однако иногда некоторые фотоны подвергаются спонтанной понижающей конверсии с поляризационной корреляцией типа II, и результирующие коррелированные пары фотонов имеют траектории, которые ограничены вдоль сторон двух конусов , оси которых расположены симметрично относительно луча накачки. Благодаря сохранению импульса два фотона всегда располагаются симметрично по сторонам конусов относительно луча накачки. В частности, траектории небольшой части пар фотонов будут лежать одновременно на двух линиях пересечения поверхностей двух конусов. Это приводит к перепутыванию поляризаций пар фотонов, возникающих на этих двух линиях. Пары фотонов находятся в равновесной квантовой суперпозиции незапутанных состояний и , что соответствует поляризации левого фотона и правого фотона. [4] [5] : 205 

Другой кристалл — KDP ( дигидрофосфат калия ), который в основном используется при понижающей конверсии типа I, когда оба фотона имеют одинаковую поляризацию. [6]

Некоторые характеристики эффективных параметрических нелинейных кристаллов с понижающим преобразованием включают:

  1. Нелинейность: показатель преломления кристалла изменяется в зависимости от интенсивности падающего света. Это известно как нелинейный оптический отклик.
  2. Периодичность: Кристалл имеет правильную повторяющуюся структуру. Это известно как структура решетки, которая отвечает за правильное расположение атомов в кристалле.
  3. Оптическая анизотропия: кристалл имеет разные показатели преломления вдоль разных кристаллографических осей.
  4. Чувствительность к температуре и давлению. Нелинейность кристалла может меняться в зависимости от температуры и давления, поэтому кристалл следует хранить в среде со стабильной температурой и давлением.
  5. Высокий коэффициент нелинейности: желателен большой коэффициент нелинейности, это позволяет генерировать большое количество запутанных фотонов.
  6. Высокий порог оптического повреждения: Кристалл с высоким порогом оптического повреждения может выдерживать высокую интенсивность луча накачки.
  7. Прозрачность в желаемом диапазоне длин волн. Для эффективного нелинейного взаимодействия важно, чтобы кристалл был прозрачным в диапазоне длин волн луча накачки.
  8. Высокое оптическое качество и низкое поглощение. Кристалл должен иметь высокое оптическое качество и низкое поглощение, чтобы минимизировать потери луча накачки и генерируемые запутанные фотоны.

История

SPDC был продемонстрирован еще в 1967 г. С.Э. Харрисом , М.К. Ошманом и Р.Л. Байером [ 7] , а также Д. Магде и Х. Маром. [8] Впервые он был применен к экспериментам, связанным с когерентностью, двумя независимыми парами исследователей в конце 1980-х годов: Кэрроллом Элли и Янхуа Ши, а также Рупаманджари Гошем и Леонардом Манделем . [9] [10] Была обнаружена двойственность между некогерентным (теорема Ван Циттерта-Цернике) и бифотонным излучением . [11]

Приложения

SPDC позволяет создавать оптические поля, содержащие (в хорошем приближении) один фотон. По состоянию на 2005 год это преобладающий механизм создания одиночных фотонов экспериментатором (также известный как состояния Фока ). [12] Отдельные фотоны, а также пары фотонов часто используются в квантовых информационных экспериментах и ​​приложениях, таких как квантовая криптография и тестовые эксперименты Белла .

SPDC широко используется для создания пар запутанных фотонов с высокой степенью пространственной корреляции. [13] Такие пары используются в призрачных изображениях , в которых информация объединяется с двух детекторов света: обычного многопиксельного детектора, который не видит объект, и однопиксельного (ведро) детектора, который видит объект.

Альтернативы

Недавно обнаруженный эффект двухфотонной эмиссии из полупроводников с электрическим приводом был предложен в качестве основы для более эффективных источников запутанных пар фотонов. [14] За исключением пар фотонов, генерируемых SPDC, фотоны пары, излучаемой полупроводником, обычно не идентичны, но имеют разные энергии. [15] До недавнего времени, в рамках ограничений квантовой неопределенности, предполагалось, что пара испускаемых фотонов находится в одном месте: они рождаются из одного и того же места. Однако новый нелокализованный механизм создания коррелированных пар фотонов в SPDC показал, что иногда отдельные фотоны, составляющие пару, могут испускаться из пространственно разделенных точек. [16] [17]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Лерх, Стефан; Бессир, Бенц; Бернхард, Кристоф; Фойрер, Томас; Стефанов, Андре (01 апреля 2013 г.). «Кривая настройки спонтанного параметрического понижающего преобразования типа 0». Журнал Оптического общества Америки Б. 30 (4): 953–958. arXiv : 1404.1192 . Бибкод : 2013JOSAB..30..953L. дои : 10.1364/JOSAB.30.000953. ISSN  0740-3224. S2CID  149192.
  2. ^ Бойд, Роберт (2008). Нелинейная оптика, третье издание . Нью-Йорк: Академическая пресса. стр. 79–88. ISBN 978-0-12-369470-6.
  3. ^ Бок, Матиас; Ленхард, Андреас; Чунниалл, Кристофер; Бехер, Кристоф (17 октября 2016 г.). «Высокоэффективный однофотонный источник телекоммуникационных волн на основе волновода PPLN». Оптика Экспресс . 24 (21): 23992–24001. Бибкод : 2016OExpr..2423992B. дои : 10.1364/OE.24.023992 . ISSN  1094-4087. ПМИД  27828232.
  4. ^ П. Квиат ; и другие. (1995). «Новый высокоинтенсивный источник поляризационно-запутанных пар фотонов». Физ. Преподобный Летт . 75 (24): 4337–4341. Бибкод : 1995PhRvL..75.4337K. doi : 10.1103/PhysRevLett.75.4337 . ПМИД  10059884.
  5. ↑ Антон Цайлингер (12 октября 2010 г.). «Суперисточник и закрытие лазейки в общении». Танец фотонов: от Эйнштейна к квантовой телепортации . Фаррар, Штраус и Жиру. ISBN 978-1-4299-6379-4.
  6. ^ Рек, MHA, Квантовая интерферометрия с несколькими портами: запутанные фотоны в оптических волокнах (стр. 115) (PDF) , получено 16 февраля 2014 г.
  7. ^ Харрис, SE; Ошман, МК; Байер, Р.Л. (1 мая 1967 г.). «Наблюдение перестраиваемой оптической параметрической флуоресценции». Письма о физических отзывах . 18 (18): 732–734. doi : 10.1103/PhysRevLett.18.732.
  8. ^ Магд, Дуглас; Мар, Герберт (22 мая 1967 г.). «Исследование в дигидрофосфате аммония спонтанного параметрического взаимодействия с возможностью настройки от 4400 до 16 000 \AA{}». Письма о физических отзывах . 18 (21): 905–907. doi :10.1103/PhysRevLett.18.905.
  9. ^ Ю. Ши и К. Элли, в Трудах 2-го Международного симпозиума по основам КМ в свете новых технологий , Намики и др., Ред., Физическое общество Японии, Токио, 1986.
  10. ^ Гош, Р.; Мандель, Л. (1987). «Наблюдение неклассических эффектов при интерференции двух фотонов». Физ. Преподобный Летт . 59 (17): 1903–1905. Бибкод : 1987PhRvL..59.1903G. doi : 10.1103/physrevlett.59.1903. ПМИД  10035364.
  11. ^ http://pra.aps.org/abstract/PRA/v62/i4/e043816 - Двойственность между частичной когерентностью и частичной запутанностью
  12. ^ Заватта, Алессандро; Вичиани, Сильвия; Беллини, Марко (2004). «Томографическая реконструкция однофотонного фоковского состояния методом высокочастотного гомодинного детектирования». Физический обзор А. 70 (5): 053821. arXiv : quant-ph/0406090 . Бибкод : 2004PhRvA..70e3821Z. doi : 10.1103/PhysRevA.70.053821. S2CID  119387795.
  13. ^ Уолборн, SP; Монкен, Швейцария; Падуя, С.; Соуто Рибейро, PH (2010). «Пространственные корреляции при параметрическом понижающем преобразовании». Отчеты по физике . 495 (4–5): 87–139. arXiv : 1010.1236 . Бибкод : 2010PhR...495...87W. doi :10.1016/j.physrep.2010.06.003. ISSN  0370-1573. S2CID  119221135.
  14. ^ Хаят, Алекс; Гинзбург, Павел; Оренштейн, Меир (2 марта 2008 г.). «Наблюдение двухфотонной эмиссии полупроводников». Природная фотоника . 2 (4). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 238–241. дои : 10.1038/nphoton.2008.28. ISSN  1749-4885.
  15. ^ Члуба, Дж.; Сюняев, РА (2006). «Индуцированный двухфотонный распад уровня 2s и скорость космологической рекомбинации водорода». Астрономия и астрофизика . 446 (1): 39–42. arXiv : astro-ph/0508144 . Бибкод : 2006A&A...446...39C. дои : 10.1051/0004-6361:20053988. S2CID  119526307.
  16. ^ Форбс, Кейн А.; Форд, Джек С.; Эндрюс, Дэвид Л. (30 марта 2017 г.). «Нелокализованная генерация коррелированных пар фотонов при вырожденном понижающем преобразовании» (PDF) . Письма о физических отзывах . 118 (13): 133602. Бибкод : 2017PhRvL.118m3602F. doi :10.1103/PhysRevLett.118.133602. ПМИД  28409956.
  17. ^ Форбс, Кейн А.; Форд, Джек С.; Джонс, Гарт А.; Эндрюс, Дэвид Л. (23 августа 2017 г.). «Квантовая делокализация при генерации пар фотонов» (PDF) . Физический обзор А. 96 (2): 023850. Бибкод : 2017PhRvA..96b3850F. doi : 10.1103/PhysRevA.96.023850.