Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Схема процесса SPDC. Обратите внимание, что законы сохранения относятся к энергии и импульсу внутри кристалла.

Спонтанное параметрическое преобразование с понижением частоты (также известное как SPDC , параметрическая флуоресценция или параметрическое рассеяние ) - это 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) более низкой энергии в соответствии с законом сохранения энергии и законом сохранения количества движения . Это важный процесс в квантовой оптике для генерации запутанных пар фотонов и одиночных фотонов.

Основной процесс [ править ]

Схема SPDC с выходом Type I
Видео эксперимента, демонстрирующего флуктуации вакуума (в красном кольце), усиленные SPDC (соответствует изображению выше)

Нелинейный кристалл используется для разделения фотона пучков на пары фотонов , которые, в соответствии с законом сохранения энергии и закона сохранения импульса , объединили энергии и импульсы , равной энергии и импульса исходного фотона и кристаллической решетки. Поскольку показатель преломления изменяется с частотой ( дисперсия ), только определенные тройки частот будут согласованы по фазе.так что одновременное сохранение энергии и импульса может быть достигнуто. Синхронизация чаще всего достигается с помощью 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 10 6 входящих фотонов для PPLN в волноводах. [3] Однако, если одна половина пары («сигнал») обнаруживается в любое время, то известно, что ее партнер («бездельник») присутствует. Вырожденная часть выходного сигнала понижающего преобразователя типа I представляет собой сжатый вакуум, который содержит только члены с четным числом фотонов . Вырожденный выход понижающего преобразователя типа II представляет собой двухмодовый сжатый вакуум.

Пример [ править ]

Схема SPDC с выходом Type II

В обычно 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 спонтанному понижающему преобразованию с поляризационной корреляцией типа II, и полученные в результате коррелированные пары фотонов имеют траектории, ограниченные по краям двух конусов., 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 пересечения конусов. Это приводит к запутыванию пар фотонов, поляризации которых перпендикулярны. [4] [5] : 205

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

История [ править ]

SPDC был описан еще в 1970 году Дэвидом Клышко и соавторами [7], а также Д.К. Бернхэмом и Д.Л. Вайнбергом. [8] [9] Впервые он был применен к экспериментам, связанным с когерентностью , двумя независимыми парами исследователей в конце 1980-х: Кэрролл Элли и Янхуа Ши, а также Рупаманджари Гош и Леонард Мандель . [10] [11] Обнаружена двойственность между некогерентным ( теорема Ван Ситтерта – Цернике ) и бифотонным излучением. [12]

Приложения [ править ]

SPDC позволяет создавать оптические поля, содержащие (в хорошем приближении) одиночный фотон. По состоянию на 2005 год для экспериментатора это основной механизм создания одиночных фотонов (также известных как состояния Фока ). [13] Одиночные 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. [14] Такие пары используются в построении фантомных изображений , при котором информация объединяется с двух световых детекторов: обычного многопиксельного детектора, который не видит объект, и однопиксельного (ковшового) детектора, который видит объект .

Альтернативы [ править ]

Недавно обнаруженный эффект двухфотонного излучения из полупроводников с электрическим приводом был предложен в качестве основы для более эффективных источников запутанных пар фотонов. [15] За исключением пар фотонов, генерируемых SPDC, фотоны пары, испускаемой полупроводником, обычно не идентичны, но имеют разные энергии. [16] До недавнего времени в рамках ограничений квантовой неопределенности считалось, что пара испускаемых фотонов совмещена: 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 испускаться из пространственно разделенных точек. [17] [18]

Ссылки [ править ]

  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 . DOI : 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; Чуннилалл, 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 . DOI : 10,1364 / OE.24.023992 . ISSN 1094-4087 . PMID 27828232 .  
  4. ^ П. Квиат; и другие. (1995). «Новый высокоинтенсивный источник поляризационно-запутанных фотонных пар» . Phys. Rev. Lett . 75 (24): 4337–4341. Bibcode : 1995PhRvL..75.4337K . DOI : 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, MHA, Квантовая интерферометрия с несколькими портами: запутанные фотоны в оптических волокнах (страница 115) (PDF) , получено 16 февраля 2014 г.
  7. ^ Клышко Д. Н., Пенин А. Н., Полковников Б. Ф. "Параметрическая люминесценция и рассеяние света поляритонами", Письма в ЖЭТФ. 11 , 05 (1970)
  8. ^ Бернхэм, округ Колумбия; Вайнберг, Д.Л. (1970). «Наблюдение одновременности в параметрическом производстве пар оптических фотонов». Phys. Rev. Lett . 25 (2): 84. Полномочный код : 1970PhRvL..25 ... 84B . DOI : 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), примечание 18.
  10. ↑ Y. Shih and C. Alley, in Proceedings of the 2nd Int'l Symposium on Foundations of QM in Light of New Technology , Namiki et al., Eds., Physical Society of Japan, Tokyo, 1986.
  11. ^ Ghosh, R .; Мандель, Л. (1987). «Наблюдение неклассических эффектов при интерференции двух фотонов». Phys. Rev. Lett . 59 (17): 1903–1905. Bibcode : 1987PhRvL..59.1903G . DOI : 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». Physical Review . 70 (5): 053821. Arxiv : колич-фот / 0406090 . Bibcode : 2004PhRvA..70e3821Z . DOI : 10.1103 / PhysRevA.70.053821 .
  14. ^ Walborn, SP; Монкен, Швейцария; Pádua, S .; Соуто-Рибейро, PH (2010). «Пространственные корреляции в параметрическом понижающем преобразовании». Отчеты по физике . 495 (4–5): 87–139. arXiv : 1010.1236 . Bibcode : 2010PhR ... 495 ... 87W . DOI : 10.1016 / j.physrep.2010.06.003 . ISSN 0370-1573 . 
  15. ^ А. Хаят, П. Гинзбург, М. Оренштейн, Наблюдение двухфотонного излучения полупроводников , Nature Photon. 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 . Бибкод : 2006A & A ... 446 ... 39C . DOI : 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 физическим обзором . 118 (13): 133602. Bibcode : 2017PhRvL.118m3602F . DOI : 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) . Physical Review . 96 (2): 023850. Bibcode : 2017PhRvA..96b3850F . DOI : 10.1103 / PhysRevA.96.023850 .