Спонтанное параметрическое преобразование с понижением частоты

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

Видео эксперимента, показывающее колебания вакуума (в красном кольце), усиленные SPDC (соответствует изображению выше)

используется Нелинейный кристалл 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 наивысший КПД достигается порядка 4x10. ^-6 входящие фотоны 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

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. $\vert H\rangle \vert V\rangle$ и $\vert V\rangle \vert H\rangle$ , что соответствует поляризации левостороннего фотона, правостороннего 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:

Нелинейность: показатель преломления кристалла изменяется в зависимости от интенсивности падающего света. Это известно как нелинейный оптический отклик.
Периодичность: Кристалл имеет правильную повторяющуюся структуру. Это известно как структура решетки, которая отвечает за правильное расположение атомов в кристалле.
Оптическая анизотропия: кристалл имеет разные показатели преломления вдоль разных кристаллографических осей.
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.
Высокий коэффициент нелинейности: желателен большой коэффициент нелинейности, это позволяет генерировать большое количество запутанных фотонов.
Высокий порог оптического повреждения: Кристалл с высоким порогом оптического повреждения может выдерживать высокую интенсивность луча накачки.
Прозрачность в желаемом диапазоне длин волн. Для эффективного нелинейного взаимодействия важно, чтобы кристалл был прозрачным в диапазоне длин волн луча накачки.
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 году С.Э. Харрисом , М.К. Ошманом и Р.Л. Байером . ^[7] а также Д. Магде и Х. Мар. ^[8] Впервые его применили к экспериментам, связанным с когерентностью , две независимые пары исследователей в конце 1980-х годов: Кэрролл Элли и Янхуа Ши, а также Рупаманджари Гош и Леонард Мандель . ^[9]^[10] и . бифотонным излучением Была обнаружена двойственность между некогерентным (теорема Ван Циттерта-Цернике) ^[11]

Приложения

SPDC позволяет создавать оптические поля, содержащие (в хорошем приближении) одиночный фотон. По состоянию на 2005 год это преобладающий механизм создания одиночных фотонов экспериментатором (также известный как состояния Фока ). ^[12] 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. ^[13] Такие пары используются в призрачных изображениях , в которых информация объединяется с двух детекторов света: обычного многопиксельного детектора, который не просматривает объект, и однопиксельного (бакетного) детектора, который просматривает 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]

См. также

Преобразование фотонов с повышением частоты

Ссылки

^ 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 .
^ Бойд, Роберт (2008). Нелинейная оптика, третье издание . Нью-Йорк: Академическая пресса. стр. 79–88 . ISBN 978-0-12-369470-6 .
^ 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 .
^ П. Квиат ; и др. (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 .
^ 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 .
^ Рек, MHA, Квантовая интерферометрия с несколькими портами: запутанные фотоны в оптических волокнах (стр. 115) (PDF) , получено 16 февраля 2014 г.
^ 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 .
^ Магде, 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 .
^ 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.
^ 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 .
^ http://pra.aps.org/abstract/PRA/v62/i4/e043816 - Двойственность между частичной когерентностью и частичной запутанностью
^ 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 .
^ Уолборн, СП; 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 .
^ 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 .
^ 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 .
^ 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 .
^ 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 . дои : 10.1103/PhysRevA.96.023850 .

[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 .

[Kwiat1995-4] П. Квиат ; и др. (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 .

[Zeilinger2010-5] 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] Магде, 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] ttp://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 .

[WalbornMonken2010-13] Уолборн, СП; 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 . дои : 10.1103/PhysRevA.96.023850 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]