Самопроизвольное параметрическое преобразование с понижением частоты - Spontaneous parametric down-conversion

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

Самопроизвольное параметрическое преобразование с понижением частоты (также известен как SPDC, параметрическая флуоресценция или параметрическое рассеяние) представляет собой нелинейный мгновенный оптический процесс, который преобразует один фотон с более высокой энергией (а именно, фотон накачки) в пару фотонов (а именно, сигнальный фотон и холостой фотон) с более низкой энергией, в соответствии с закон сохранения энергии и закон сохранения количества движения. Это важный процесс в квантовая оптика, для генерации запутанный фотон пар и одиночных фотонов.

Основной процесс

Схема SPDC с выходом Type I
На видео эксперимента показано колебания вакуума (в красном кольце) усилен SPDC (соответствует изображению выше)

А нелинейный кристалл используется для разделения фотон пучков на пары фотонов, которые в соответствии с закон сохранения энергии и закон сохранения количества движения, имеют комбинированные энергии и импульсы, равные энергии и импульсу исходного фотона и кристаллической решетки. Поскольку показатель преломления изменяется с частотой, только определенные тройки частот будут согласованный по фазе так что одновременное сохранение энергии и импульса может быть достигнуто. Синхронизация чаще всего достигается с использованием двулучепреломляющих нелинейных материалов, показатель преломления которых изменяется с поляризацией. В результате этого различные типы SPDC классифицируются по поляризациям 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 по отношению друг к другу, но ортогональны поляризации накачки, это SPDC типа I. Если сигнальные и холостые фотоны имеют перпендикулярную поляризацию, это считается SPDC типа II.[2]

Эффективность преобразования SPDC обычно очень низкая, при этом максимальная эффективность достигается порядка 4 пар на 106 входящие фотоны для PPLN в волноводах.[3] Однако, если одна половина пары («сигнал») обнаруживается в любое время, то известно, что ее партнер («бездельник») присутствует. Вырожденная часть выхода понижающего преобразователя типа I представляет собой сжатый вакуум который содержит только даже фотон количество терминов. Вырожденный выход понижающего преобразователя типа II представляет собой двухмодовый сжатый вакуум.

пример

Схема SPDC с выходом Type II

В обычно используемой конструкции аппаратов SPDC сильная лазерный луч пучок, называемый «накачивающим», направлен на BBO (бета-борат бария) или Литий ниобат кристалл. Большинство фотонов проходят прямо через кристалл. Однако иногда некоторые фотоны подвергаются спонтанному понижающему преобразованию с поляризационной корреляцией типа II, и результирующие коррелированные пары фотонов имеют траектории, ограниченные по краям двух шишки, оси которого расположены симметрично относительно пучка накачки. Кроме того, из-за сохранения импульса два фотона всегда симметрично расположены по краям конусов относительно луча накачки. Важно отметить, что траектории пар фотонов могут существовать одновременно в двух линиях, где пересекаются конусы. Это приводит к запутыванию пар фотонов, поляризации которых перпендикулярны.[4][5]:205

Другой кристалл - KDP (дигидрофосфат калия ), который в основном используется в понижающем преобразовании типа I, когда оба фотона имеют одинаковую поляризацию.[6]

История

SPDC был описан еще в 1970 г. Давид Клышко и соавторы,[7] и Д. К. Бернхэм и Д. Л. Вайнберг.[8][9] Впервые он был применен к экспериментам, связанным с согласованность двумя независимыми парами исследователей в конце 1980-х: Кэрролл Элли и Яньхуа Ши, и Рупаманджари Гхош и Леонард Мандель.[10][11] В двойственность между бессвязными (Теорема Ван Циттерта – Цернике ) и бифотонное излучение.[12]

Приложения

SPDC позволяет создавать оптические поля содержащий (в хорошем приближении) одиночный фотон. По состоянию на 2005 год это основной механизм для экспериментатора создания одиночных фотонов (также известный как Фока заявляет ).[13] Одиночные фотоны, а также фотонные пары часто используются в квантовая информация эксперименты и приложения вроде квантовая криптография и Белл тестовые эксперименты.

SPDC широко используется для создания пар запутанных фотонов с высокой степенью пространственной корреляции.[14] Такие пары используются в призрачное изображение, в котором информация объединяется с двух световых детекторов: обычного многопиксельного детектора, который не видит объект, и однопиксельного (ковшового) детектора, который действительно видит объект.

Альтернативы

Недавно наблюдаемый эффект двухфотонное излучение из полупроводников с электроприводом было предложено в качестве основы для более эффективных источников запутанных пар фотонов.[15] За исключением пар фотонов, генерируемых SPDC, фотоны пары, испускаемой полупроводником, обычно не идентичны, а имеют разные энергии.[16] До недавнего времени в рамках ограничений квантовой неопределенности считалось, что пара испускаемых фотонов находится в одном месте: они рождаются из одного и того же места. Однако новый нелокализованный механизм образования пар коррелированных фотонов в SPDC показал, что иногда отдельные фотоны, составляющие пару, могут излучаться из пространственно разделенных точек.[17][18]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Лерх, Стефан; Бессир, Банц; Бернхард, Кристоф; Ферер, Томас; Стефанов, Андре (2013-04-01). "Кривая настройки спонтанного параметрического понижающего преобразования типа 0". Журнал Оптического общества Америки B. 30 (4): 953–958. arXiv:1404.1192. Bibcode:2013JOSAB..30..953L. Дои:10.1364 / JOSAB.30.000953. ISSN  0740-3224.
  2. ^ Бойд, Роберт (2008). Нелинейная оптика, третье издание. Нью-Йорк: Academic Press. стр.79 –88. ISBN  978-0-12-369470-6.
  3. ^ Бок, Матиас; Ленхард, Андреас; Chunnilall, Кристофер; Бехер, Кристоф (17 октября 2016 г.). «Высокоэффективный объявленный источник одиночных фотонов для телекоммуникационных длин волн на основе волновода PPLN». Оптика Экспресс. 24 (21): 23992–24001. Bibcode:2016OExpr..2423992B. Дои:10.1364 / OE.24.023992. ISSN  1094-4087. PMID  27828232.
  4. ^ П. Квиат; и другие. (1995). «Новый высокоинтенсивный источник фотонных пар, запутанных поляризацией». Phys. Rev. Lett. 75 (24): 4337–4341. Bibcode:1995ПхРвЛ..75.4337К. Дои:10.1103 / PhysRevLett.75.4337. PMID  10059884.
  5. ^ Антон Цайлингер (12 октября 2010 г.). «Супер-источник и закрытие коммуникационной лазейки». Танец фотонов: от Эйнштейна к квантовой телепортации. Фаррар, Штраус и Жиру. ISBN  978-1-4299-6379-4.
  6. ^ Рек, M H A, Квантовая интерферометрия с несколькими портами: запутанные фотоны в оптических волокнах (страница 115) (PDF), получено 16 февраля 2014
  7. ^ Клышко Д. Н., Пенин А. Н., Полковников Б. Ф. «Параметрическая люминесценция и рассеяние света на поляритонах». JETP Lett. 11, 05 (1970)
  8. ^ Burnham, D.C .; Вайнберг, Д. Л. (1970). «Наблюдение одновременности в параметрическом производстве пар оптических фотонов». Phys. Rev. Lett. 25 (2): 84. Bibcode:1970ПхРвЛ..25 ... 84Б. Дои:10.1103 / Physrevlett.25.84.
  9. ^ Д. Гринбергер, М. Хорн и А. Цайлингер "Теорема Белла без неравенств для двух частиц с использованием эффективных детекторов "(2005 г.), примечание 18.
  10. ^ Ю. Ши и К. Элли, в Материалы 2-го Международного симпозиума по основам управления качеством в свете новых технологий, Намики и др., Ред. Физическое общество Японии, Токио, 1986.
  11. ^ Ghosh, R .; Мандель, Л. (1987). «Наблюдение неклассических эффектов при интерференции двух фотонов». Phys. Rev. Lett. 59 (17): 1903–1905. Bibcode:1987ПхРвЛ..59.1903Г. Дои:10.1103 / Physrevlett.59.1903. PMID  10035364.
  12. ^ http://pra.aps.org/abstract/PRA/v62/i4/e043816 - Двойственность между частичной когерентностью и частичной запутанностью
  13. ^ Заватта, Алессандро; Вичиани, Сильвия; Беллини, Марко (2004). «Томографическая реконструкция однофотонного фоковского состояния с помощью высокочастотного гомодинного детектирования». Физический обзор A. 70 (5): 053821. arXiv:Quant-ph / 0406090. Bibcode:2004PhRvA..70e3821Z. Дои:10.1103 / PhysRevA.70.053821.
  14. ^ Walborn, S.P .; Monken, C.H .; Pádua, S .; Соуто Рибейро, P.H. (2010). «Пространственные корреляции в параметрическом понижающем преобразовании». Отчеты по физике. 495 (4–5): 87–139. arXiv:1010.1236. Bibcode:2010PhR ... 495 ... 87 Вт. Дои:10.1016 / j.physrep.2010.06.003. ISSN  0370-1573.
  15. ^ А. Хаят, П. Гинзбург, М. Оренштейн, Наблюдение двухфотонного излучения полупроводников., Природа Фотон. 2, 238 (2008)
  16. ^ Chluba, J .; Сюняев, Р.А. (2006). «Индуцированный двухфотонный распад уровня 2s и скорость космологической рекомбинации водорода». Астрономия и астрофизика. 446 (1): 39–42. arXiv:Astro-ph / 0508144. Bibcode:2006A & A ... 446 ... 39C. Дои:10.1051/0004-6361:20053988.
  17. ^ Forbes, Kayn A .; Форд, Джек С .; Эндрюс, Дэвид Л. (30 марта 2017 г.). «Нелокализованная генерация коррелированных фотонных пар при вырожденном понижающем преобразовании» (PDF). Письма с физическими проверками. 118 (13): 133602. Bibcode:2017ПхРвЛ.118м3602Ф. Дои:10.1103 / PhysRevLett.118.133602. PMID  28409956.
  18. ^ Forbes, Kayn A .; Форд, Джек С .; Джонс, Гарт А .; Эндрюс, Дэвид Л. (2017-08-23). «Квантовая делокализация в генерации фотонных пар» (PDF). Физический обзор A. 96 (2): 023850. Bibcode:2017PhRvA..96b3850F. Дои:10.1103 / PhysRevA.96.023850.