Эффект Хонга – Оу – Манделя - Hong–Ou–Mandel effect

В Эффект Хонга – Оу – Манделя квантовый эффект в квантовая оптика, что было экспериментально продемонстрировано в 1987 году тремя физиками из Рочестерского университета: Чун Ки Хонг, Чжэ Ю Оу и Леонард Мандель.^[1] Эксперимент показывает, что когда два неотличимых импульсных фотона (сигнальный и холостой фотон от оптического преобразования с понижением частоты) проходят через 1: 1 Разделитель луча вероятность совпадения детектирования на обоих детекторах, размещенных соответственно на двух выходных путях, падает до нуля, когда оптические задержки фотонов на два детектора равны. Если повторить эксперимент в классическая оптика режиме провал может достигать только минимального. Такой провал с нулевым совпадением называется провалом Хонг-У-Манделя (HOM). Методы генерации, обнаружения и обработки фотонов, используемые в эксперименте, широко используются в современных исследованиях в области линейной оптики. квантовые вычисления.^[2]

Квантово-механическое описание

Физическое описание

Когда фотон попадает в светоделитель, есть две возможности: он либо отражается, либо проходит. Относительные вероятности прохождения и отражения определяются отражательная способность светоделителя. Здесь мы предполагаем светоделитель 1: 1, в котором фотон имеет равную вероятность отражения и передачи.

Затем рассмотрим два фотона, по одному в каждой входной моде светоделителя 1: 1. У фотонов есть четыре возможности вести себя:

1. Фотон, входящий сверху, отражается, а входящий снизу фотон передается.
2. Оба фотона передаются.
3. Оба фотона отражаются.
4. Фотон, входящий сверху, передается, а входящий снизу фотон отражается.

Теперь мы предполагаем, что два фотона идентичны по своим физическим свойствам (т. Е. поляризация, пространственно-временная структура мод, и частота ).

Четыре возможности двухфотонного отражения и передачи добавляются на уровне амплитуды.

Когда оптические задержки двух фотонов равны, как объясняется в разделе «Математическое описание», волновые пакеты двух фотонов интерферируют, и возможны только варианты 1 и 4, в результате чего только один детектор регистрирует оба фотона. Когда разница оптических задержек изменяется от нуля, перекрытие и, следовательно, интерференция волновых пакетов уменьшаются, а возможности 2 и 3 увеличиваются. Следовательно, вероятность совпадения счета фотонов против разницы оптических задержек имеет провал до нуля, когда разность равна нулю, а форма провала зависит от формы волновых пакетов. Но когда уровень генерации фотонов увеличивается даже на небольшую величину, например, до уровня, позволяющего двум парам фотонов прибывать в одно и то же окно счета фотонов детекторов, вторая пара может использовать возможности 4, в то время как первая пара принимает 1, или наоборот. Таким образом, падение вероятности случайного счета детекторов составляет 0,5, за исключением случаев, когда в пределах одного окна счета прибывает только одна пара фотонов. Строгий вывод дается формулой.^[3]

Математическое описание

В квантовой механике электрические поля являются операторами. Каждый оператор электрического поля может быть далее выражен в терминах мод (Режим (электромагнетизм) ), представляющие волновое поведение и операторы амплитуды, которые обычно представлены безразмерными операторы создания и уничтожения. И «амплитуда» становится цифровым числом, а не непрерывным числом. Предположим, что операторы уничтожения и создания из двух режимов ввода а и б находятся ${displaystyle {hat {a}}}$, ${displaystyle {hat {a}}^{dagger }}$, и ${displaystyle {hat {b}}}$, ${displaystyle {hat {b}}^{dagger }}$. Пару одинаковых фотонов можно описать Фока заявляет

${displaystyle {hat {a}}^{dagger }{hat {b}}^{dagger }|0,0angle _{ab}=|1,1angle _{ab},}$

куда ${displaystyle |1angle }$ однофотонное состояние. Если смотреть с выходной стороны светоделителя 1: 1, режимы c и d; и операторы рождения (а также аннигиляции), связанные с модами, связаны таким же образом, как и амплитуды электрического поля:

${displaystyle {hat {a}}^{dagger } o {frac {{hat {c}}^{dagger }+{hat {d}}^{dagger }}{sqrt {2}}}quad { ext{and}}quad {hat {b}}^{dagger } o {frac {{hat {c}}^{dagger }-{hat {d}}^{dagger }}{sqrt {2}}}.}$

Помещение выше в матрица форма:

${displaystyle {egin{pmatrix}{hat {a}}{hat {b}}end{pmatrix}} o {frac {1}{sqrt {2}}}{egin{pmatrix}1&11&-1end{pmatrix}}{egin{pmatrix}{hat {c}}{hat {d}}end{pmatrix}}.}$

Матрица преобразования, конечно, унитарное преобразование потому что энергия неявно сохраняется. Матрица является ассиметричной, как в приведенном выше примере для некоторых типов светоделителей. Диэлектрические светоделители могут обеспечивать симметричную матрицу преобразования.

Используя соотношение операторов выше, состояние двух режимов становится

${displaystyle |1,1angle _{ab}={hat {a}}^{dagger }{hat {b}}^{dagger }|0,0angle _{ab} o {frac {1}{2}}left({hat {c}}^{dagger }+{hat {d}}^{dagger }ight)left({hat {c}}^{dagger }-{hat {d}}^{dagger }ight)|0,0angle _{cd}={frac {1}{2}}left({hat {c}}^{dagger 2}-{hat {d}}^{dagger 2}ight)|0,0angle _{cd}={frac {|2,0angle _{cd}-|0,2angle _{cd}}{sqrt {2}}}.}$

Поскольку коммутатор двух операторов созидания ${displaystyle {hat {c}}^{dagger }}$ и ${displaystyle {hat {d}}^{dagger }}$ исчезает, оставшиеся члены суперпозиции равны ${displaystyle {hat {c}}^{dagger 2}}$ и ${displaystyle {hat {d}}^{dagger 2}}$. Следовательно, когда два идентичных фотона попадают в светоделитель 1: 1, они всегда будут выходить из светоделителя в том же (но случайном) режиме вывода.

Экспериментальная подпись

«Провал HOM» совпадающих отсчетов в детекторах в зависимости от относительной задержки между однофотонными волновыми пакетами

Эффект Хонга – У – Манделя наблюдается с использованием двух фотоприемники в режиме счета фотонов размещены на выходных путях светоделителя. Частота обнаружения совпадений падает до нуля, когда разность оптических путей идентичных входных фотонов становится равной нулю. Это называется Дип Хонг – У – Мандель, или HOM dip. Когда пары фотонов совершенно неразличимы, угол наклона как минимум выше нуля, что показано пунктирной линией. Минимум падает до нуля, когда два фотона совершенно идентичны по всем свойствам. Когда два фотона полностью различимы, провал полностью исчезает. Ширина и форма провала напрямую связаны с формой импульса фотонов и, следовательно, определяются формой импульса источника, а также фильтрами, размещенными на оптических путях. Общие формы провала HOM: Гауссовский и Лоренциан.

Классический аналог эффекта HOM возникает, когда два когерентные состояния (например, лазерные лучи) создают помехи на светоделителе. Если состояния имеют быстро меняющуюся разность фаз (т.е. быстрее, чем время интегрирования детекторов), тогда будет наблюдаться провал в скорости совпадений, равный половине среднего числа совпадений при длительных задержках. (Тем не менее, его можно дополнительно уменьшить, применив к сигналу надлежащий различающий уровень триггера.) Следовательно, чтобы доказать, что деструктивная интерференция представляет собой двухфотонную квантовую интерференцию, а не классический эффект, провал HOM должен быть меньше половины.

Эффект Хонга – У – Манделя можно непосредственно наблюдать с помощью однофотонно-чувствительных усиленный камеры. Такие камеры имеют возможность регистрировать одиночные фотоны в виде ярких пятен, четко выделяемых на фоне с низким уровнем шума.

Прямое наблюдение за эффектом HOM с помощью усиленной камеры. Сливающиеся пары фотонов появляются вместе в виде ярких пятен на одном из выходных портов светоделителя (левая или правая панель).^[4]

На рисунке выше пары фотонов зарегистрированы в середине провала Хонга – У – Манделя.^[4] В большинстве случаев они сгруппированы попарно с левой или с правой стороны, что соответствует двум выходным портам светоделителя. Иногда случается совпадение, демонстрирующее остаточную различимость фотонов.

Приложения и эксперименты

Эксперимент Хонга-У-Манделя был впервые использован для «измерения временных интервалов между двумя фотонами и, косвенно, длины волнового пакета фотона, созданного в процессе параметрического преобразования с понижением частоты», как указано в исходной статье, которая обнаружила эффект. Эффект можно использовать для проверки степени неразличимость двух входящих фотонов. Когда угол падения HOM достигает нуля совпадающих отсчетов, входящие фотоны становятся совершенно неразличимыми, тогда как, если нет падения, фотоны различимы. В 2002 г. эффект Хонга-У-Манделя был использован для демонстрации чистота твердотельного однофотонного источника путем подачи двух последовательных фотонов от источника в светоделитель 1: 1.^[5] В видимость помех V провала связана с состояниями двух фотонов ${displaystyle ho _{a}}$ и ${displaystyle ho _{b}}$ так как

${displaystyle V=operatorname {Tr} (ho _{a}ho _{b}).}$

Если ${displaystyle ho _{a}=ho _{b}=ho }$, то видимость равна чистоте ${displaystyle P=operatorname {Tr} (ho ^{2})}$ фотонов.^[6] В 2006 году был проведен эксперимент, в котором два атома независимо испускали по одному фотону каждый. Эти фотоны впоследствии вызвали эффект Хонга – У – Манделя.^[7]

Эффект Хонга – У – Манделя также лежит в основе основного механизма перепутывания в линейных оптических системах. квантовые вычисления, а двухфотонное квантовое состояние ${displaystyle |2,0angle +|0,2angle }$ которое приводит к провалу HOM, является простейшим нетривиальным состоянием в классе, называемом ПОЛДЕНЬ заявляет.

В 2015 г. эффект Хонга – У – Манделя для фотонов непосредственно наблюдался с пространственным разрешением с помощью sCMOS-камеры с усилителем изображения.^[4] Также в 2015 году эффект наблюдался с атомами гелия-4.^[8]

Эффект HOM может быть использован для измерения волновой функции бифотона от спонтанного четырехволновое смешение процесс.^[9]

В 2016 году преобразователь частоты для фотонов продемонстрировал эффект Хонга – Оу – Манделя с разноцветными фотонами.^[10]

В 2018 году HOM-интерференция использовалась для демонстрации квантовой интерференции с высокой точностью между топологически защищенными состояниями на фотонном чипе.^[11] Топологическая фотоника по своей сути обладает высокой когерентностью и, в отличие от других подходов с квантовыми процессорами, не требует сильных магнитных полей и работает при комнатной температуре.

Трехфотонная интерференция

В экспериментах выявлен эффект трехфотонной интерференции.^[12][13][14]

Смотрите также

• Степень согласованности
• Антигруппировка фотонов
• Группировка фотонов

Рекомендации

1. К. К. Хонг; З. Ю. Оу и Л. Мандель (1987). «Измерение субпикосекундных интервалов времени между двумя фотонами путем интерференции». Phys. Rev. Lett. 59 (18): 2044–2046. Bibcode:1987PhRvL..59.2044H. Дои:10.1103 / PhysRevLett.59.2044. PMID  10035403.
2. Knill, E .; Лафламм, Р. и Милберн, Г. Дж. (2001). «Схема эффективных квантовых вычислений с линейной оптикой». Природа. 409 (6816): 46–52. Bibcode:2001Натура.409 ... 46K. Дои:10.1038/35051009. PMID  11343107.
3. Юань Цзян; Ребекка Цзян (2020). «Квантовая модель линейных оптических устройств для квантовых вычислений». viXra.
4. М. Ячура; Р. Храпкевич (2015). «Покадровая визуализация интерференции Хонга-У-Манделя с помощью усиленной sCMOS-камеры». Опт. Латыш. 40 (7): 1540–1543. arXiv:1502.07917. Bibcode:2015OptL ... 40.1540J. Дои:10.1364 / ол.40.001540. PMID  25831379.
5. К. Сантори; Д. Фаттал; Я. Вукович; Дж. С. Соломон и Я. Ямамото (2002). «Неотличимые фотоны от однофотонного устройства». Природа. 419 (6907): 594–597. Bibcode:2002Натура.419..594S. Дои:10.1038 / nature01086. PMID  12374958.
6. Ячура, Михал; Храпкевич, Радослав (2017). «Вмешательство Хонг-У-Манделя». arXiv:1711.00080 [Quant-ph ].
7. Дж. Беньон; М. П. А. Джонс; Дж. Дингджан; Б. Дарки; Г. Мессен; A. Browaeys и P. Grangier (2006). «Квантовая интерференция между двумя одиночными фотонами, испускаемыми независимо захваченными атомами». Природа. 440 (7085): 779–782. arXiv:Quant-ph / 0610149. Bibcode:2006Натура 440..779Б. Дои:10.1038 / природа04628. PMID  16598253.
8. Р. Лопес; А. Иманалиев; А. Аспект; М. Шено; Д. Буарон и К. И. Вестбрук (2015). «Атомный эксперимент Хонга – У – Манделя». Природа. 520 (7545): 66–68. arXiv:1501.03065. Bibcode:2015Натура.520 ... 66л. Дои:10.1038 / природа14331. PMID  25832404.
9. П. Чен; С. Шу; X. Guo; М. М. Т. Лой и С. Ду (2015). «Измерение временной волновой функции бифотона с поляризационно-зависимой двухфотонной интерференцией с временным разрешением» (PDF). Phys. Rev. Lett. 114 (1): 010401. Bibcode:2015PhRvL.114a0401C. Дои:10.1103 / PhysRevLett.114.010401. PMID  25615453.
10. Т. Кобаяши; Р. Икута; С. Ясуи; С. Мики; Т. Ямасита; Х. Тераи; Т. Ямамото; М. Коаши и Н. Имото (2016). «Интерференция Хонга – У – Манделя в частотной области». Природа Фотоника. 10 (7): 441–444. arXiv:1601.00739. Bibcode:2016NaPho..10..441K. Дои:10.1038 / nphoton.2016.74.
11. Жан-Люк Тамбаско; Джакомо Корриелли; Роберт Дж. Чепмен; Андреа Креспи; Одед Зильберберг; Роберто Оселламе; Альберто Перуццо; и другие. (2018). «Квантовая интерференция топологических состояний света». Достижения науки. Американская ассоциация развития науки. 4 (9). eaat3187. arXiv:1904.10612. Bibcode:2018SciA .... 4.3187T. Дои:10.1126 / sciadv.aat3187. ЧВК  6140626. PMID  30225365.
12. Сьюэлл, Роберт (10 апреля 2017 г.). "Точка зрения: фотонный хет-трик". Физика. 10. Дои:10.1103 / Physics.10.38.
13. Агне, Саша; Каутен, Томас; Джин, Чонван; Мейер-Скотт, Эван; Salvail, Джефф З .; Hamel, Deny R .; Реш, Кевин Дж .; Вейхс, Грегор; Дженневейн, Томас (10 апреля 2017 г.). «Наблюдение истинной трехфотонной интерференции». Письма с физическими проверками. 118 (15): 153602. arXiv:1609.07508. Bibcode:2017PhRvL.118o3602A. Дои:10.1103 / PhysRevLett.118.153602. PMID  28452530.
14. Менсен, Адриан Дж .; Джонс, Алекс Э .; Меткалф, Бенджамин Дж .; Tichy, Malte C .; Барз, Стефани; Колтхаммер, В. Стивен; Уолмсли, Ян А. (10 апреля 2017 г.). «Отличимость и интерференция многих частиц». Письма с физическими проверками. 118 (15): 153603. arXiv:1609.09804. Bibcode:2017ПхРвЛ.118о3603М. Дои:10.1103 / PhysRevLett.118.153603. PMID  28452506.

внешняя ссылка

• Лекции по квантовым вычислениям: интерференция (2 из 6) - Дэвид Дойч видео лекции, видео соответствующего эксперимента (одиночный фотон в резком направлении разделяется, зеркалируется и воссоединяется на выходе второго сплиттера (объединителя) в резком направлении).
• Можно ли считать двухфотонную интерференцию интерференцией двух фотонов? - Обсуждение интерпретации результатов интерферометра HOM.
• Анимация YouTube, демонстрирующая эффект HOM в полупроводниковом устройстве.
• Видео на YouTube, демонстрирующее экспериментальные результаты HOM-эффекта, наблюдаемого на камере.