WikiDer > 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 лучпучок, 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.