Спонтанне параметричне розсіяння

Схема процесу СПР. Зверніть увагу, що закони збереження стосуються енергії та імпульсу всередині кристала.

Спонтанне параметричне розсіяння (СПР) - це є нелінійний миттєвий оптичний процес, який перетворює один фотон з вищою енергією (а саме фотон накачування) у пару фотонів (а саме, сигнальний фотон і холостий фотон) з меншою енергією, відповідно до закону збереження енергії та закону збереження імпульсу. Це важливий процес у квантовій оптиці для генерації заплутаних пар фотонів та одиничних фотонів.

Основний процес

Схема СПР типу I
Відео експерименту, на якому показано флюктуації вакууму (у червоному кільці), підсилені СПР (що відповідає зображенню вище)

Нелінійний кристал використовується для поділу пучків фотонів на пари фотонів, які відповідно до закону збереження енергії та закону збереження імпульсу мають поєднані енергії та імпульси, рівні енергії та імпульсу вихідного фотона та кристалічної решітки. Оскільки показник заломлення змінюється з частотою, лише певні триплети частот будуть узгоджені по фазі, щоб можна було досягти одночасного збереження енергії та імпульсу. Фазове узгодження найчастіше досягається за допомогою двопроменезаломлюючих нелінійних матеріалів, показник заломлення яких змінюється з поляризацією. В результаті цього різні типи СПР класифікуються за поляризацією вхідного фотона (накачування) та двох вихідних фотонів (сигнального та холостого). Якщо сигнальний та холостий фотони мають однакову поляризацію між собою та зі зруйнованим фотоном накачування, це вважається СПР типу-0 [1]; якщо сигнальний та холостий фотони мають однакову поляризацію між собою, але є ортогональними до поляризації фотона накачування, це СПР типу I. Якщо сигнальний та холостий фотони мають перпендикулярну поляризацію, це вважається СПР типу II.[2]

Ефективність перетворення SPDC, як правило, дуже низька, з найвищою ефективністю, отриманою близько 4 пар на 106 вхідних фотонів для періодично поляризованого ніобату літію у хвилеводах. [3] Однак, якщо в будь-який момент виявляється одна половина пари ("сигнальний фотон"), тоді, як відомо, присутній її партнер ("холостий фотон"). Вихідний сигнал перетворювача типу I є стисненим вакуумом, який містить парну кількість фотонів. Вихід перетворювача типу II є двомодовим стисненим вакуумом.

Приклад

Схема СПР типу II

У конструкції апарату СПР, яка зазвичай використовується, потужний лазерний промінь, який називають накачуванням, спрямований на кристал бета-борату барію[en] або кристал ніобату літію. Більшість фотонів проходять прямо крізь кристал. Однак іноді деякі фотони зазнають СПР типу II з кореляцією поляризації, а результуючі корельовані пари фотонів мають траєкторії, обмежені по краях двох конусів, осі яких симетрично розташовані відносно пучка накачування. Крім того, завдяки збереженню імпульсу, два фотони завжди симетрично розташовані по краях конусів щодо пучка накачування. Важливо, що траєкторії пар фотонів можуть існувати одночасно в двох лініях, де конуси перетинаються. Це призводить до переплутування пар фотонів, поляризація яких перпендикулярна.[4][5]

Іншим кристалом є дигідрофосфат калію, який в основному використовується для СПР типу I, де обидва фотони мають однакову поляризацію.[6]

Історія

СПР був описаний ще в 1970 році Давідом Клишком[en] та співавторами [7] та Д. С. Бернхемом та Д. Л. Вайнбергом [8][9]. Вперше він був застосований до експериментів, пов’язаних з когерентністю, двома незалежними парами дослідників наприкінці 1980-х: Керролл Еллі[en] та Яньхуа Ши, і Рупаманджарі Гош[en] та Леонард Мендель[en].[10][11] Виявлено дуальність між некогерентним (теорема Ван Циттера – Церніке[en]) та біфотонним випромінюванням.[12]

Застосування

СПР дозволяє створювати оптичні поля, що містять (у гарному наближенні) один фотон. Станом на 2005 рік, це переважаючий механізм для експериментатора для створення одиночних фотонів (також відомих як стан Фока) [13]. Поодинокі фотони, а також пари фотонів часто використовуються в експериментах з квантової інформації та таких застосуваннях, як квантова криптографія та експерименти Белла[en].

СПР широко використовується для створення пар заплутаних фотонів з високим ступенем просторової кореляції.[14] Такі пари використовуються у фантомних зображеннях[en], в яких інформація поєднується з двох детекторів світла: звичайного багатопіксельного детектора, який не "бачить" об’єкт, та однопіксельного детектора, який "бачить" об’єкт.

Альтернативи

Як основу для більш ефективних джерел заплутаних пар фотонів запропоновано новий ефект випромінювання двох фотонів від напівпровідників з електричним керуванням. [15] Крім парів фотонів, що генеруються СПР, фотони пари, що випромінюється напівпровідником, зазвичай не ідентичні, а мають різну енергію.[16] Донедавна, в рамках обмежень квантової невизначеності, пара випромінюваних фотонів вважалася спільно розташованою: вони народжуються з одного місця. Однак новий нелокалізований механізм утворення корельованих пар фотонів у СПР підкреслив, що іноді окремі фотони, що складають пару, можуть випромінюватися з просторово розділених точок[17][18].

Див. також

Стохастична електродинаміка[en]

Примітки

  1. ↑ Lerch, Stefan; Bessire, Bänz; Bernhard, Christof; Feurer, Thomas; Stefanov, André (1 квітня 2013). Tuning curve of type-0 spontaneous parametric down-conversion. Journal of the Optical Society of America B. 30 (4): 953—958. arXiv:1404.1192. Bibcode:2013JOSAB..30..953L. doi:10.1364/JOSAB.30.000953. ISSN 0740-3224.
  2. ↑ Boyd, Robert (2008). Nonlinear Optics, Third Edition. New York: Academic Press. с. 79–88. ISBN 978-0-12-369470-6.
  3. ↑ Bock, Matthias; Lenhard, Andreas; Chunnilall, Christopher; Becher, Christoph (17 жовтня 2016). Highly efficient heralded single-photon source for telecom wavelengths based on a PPLN waveguide. Optics Express. 24 (21): 23992—24001. Bibcode:2016OExpr..2423992B. doi:10.1364/OE.24.023992. ISSN 1094-4087. PMID 27828232.
  4. ↑ P. Kwiat та ін. (1995). New High-Intensity Source of Polarization-Entangled Photon Pairs. Phys. Rev. Lett. 75 (24): 4337—4341. Bibcode:1995PhRvL..75.4337K. doi:10.1103/PhysRevLett.75.4337. PMID 10059884.
  5. ↑ Anton Zeilinger (12 жовтня 2010). The super-source and closing the communication loophole. Dance of the Photons: From Einstein to Quantum Teleportation. Farrar, Straus and Giroux. ISBN 978-1-4299-6379-4.
  6. ↑ Reck, M H A, Quantum Interferometry with Multiports: Entangled Photons in Optical Fibers (page 115) (PDF), архів оригіналу (PDF) за 13 грудня 2019, процитовано 16 лютого 2014
  7. ↑ Klyshko D. N., Penin A. N., Polkovnikov B. F., "Parametric Luminescence and Light Scattering by Polaritons", JETP Lett. 11, 05 (1970) [Архівовано 27 серпня 2019 у Wayback Machine.]
  8. ↑ Burnham, D. C.; Weinberg, D. L. (1970). Observation of simultaneity in parametric production of optical photon pairs. Phys. Rev. Lett. 25 (2): 84. Bibcode:1970PhRvL..25...84B. doi:10.1103/physrevlett.25.84.
  9. ↑ D. Greenberger, M. Horne, and A. Zeilinger, "A Bell Theorem Without Inequalities for Two Particles, Using Efficient Detectors" (2005), note 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.; Mandel, L. (1987). Observation of Nonclassical Effects in the Interference of Two Photons. 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 [Архівовано 12 листопада 2013 у Archive.is] - Duality between partial coherence and partial entanglement
  13. ↑ Zavatta, Alessandro; Viciani, Silvia; Bellini, Marco (2004). Tomographic reconstruction of the single-photon Fock state by high-frequency homodyne detection. Physical Review A. 70 (5): 053821. arXiv:quant-ph/0406090. Bibcode:2004PhRvA..70e3821Z. doi:10.1103/PhysRevA.70.053821.
  14. ↑ Walborn, S.P.; Monken, C.H.; Pádua, S.; Souto Ribeiro, P.H. (2010). Spatial correlations in parametric down-conversion. Physics Reports. 495 (4–5): 87—139. arXiv:1010.1236. Bibcode:2010PhR...495...87W. doi:10.1016/j.physrep.2010.06.003. ISSN 0370-1573.
  15. ↑ A. Hayat, P. Ginzburg, M. Orenstein, Observation of Two-Photon Emission from Semiconductors [Архівовано 16 серпня 2016 у Wayback Machine.], Nature Photon. 2, 238 (2008)
  16. ↑ Chluba, J.; Sunyaev, R. A. (2006). Induced two-photon decay of the 2s level and the rate of cosmological hydrogen recombination. Astronomy and Astrophysics. 446 (1): 39—42. arXiv:astro-ph/0508144. Bibcode:2006A&A...446...39C. doi:10.1051/0004-6361:20053988.
  17. ↑ Forbes, Kayn A.; Ford, Jack S.; Andrews, David L. (30 березня 2017). Nonlocalized Generation of Correlated Photon Pairs in Degenerate Down-Conversion (PDF). Physical Review Letters. 118 (13): 133602. Bibcode:2017PhRvL.118m3602F. doi:10.1103/PhysRevLett.118.133602. PMID 28409956. Архів оригіналу (PDF) за 20 липня 2018. Процитовано 19 грудня 2020.
  18. ↑ Forbes, Kayn A.; Ford, Jack S.; Jones, Garth A.; Andrews, David L. (23 серпня 2017). Quantum delocalization in photon-pair generation (PDF). Physical Review A. 96 (2): 023850. Bibcode:2017PhRvA..96b3850F. doi:10.1103/PhysRevA.96.023850. Архів оригіналу (PDF) за 21 липня 2018. Процитовано 19 грудня 2020.