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

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

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 триплеты частот будут согласованы по фазе, так что может быть достигнуто одновременное сохранение энергии и импульса. 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; 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.

Эффективность преобразования SPDC обычно очень низкая, при этом максимальная эффективность достигается порядка 4 пар на 10 6 входящих фотонов для PPLN в волноводах. 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

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 получающиеся в результате коррелированные пары фотонов имеют траектории, ограниченные по краям двух конусов , оси которых расположены симметрично относительно луча 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.

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

История

SPDC был продемонстрирован еще в 1967 г. С.Э. Харрисом , М.К. Ошманом и Р.Л. Байером , а также Д. Магде и Х. Мар. Впервые он был применен к экспериментам, связанным с когерентностью , двумя независимыми парами исследователей в конце 1980-х: Кэрролл Элли и Яньхуа Ши, а также Рупаманджари Гош и Леонард Мандель . Обнаружена двойственность между некогерентным ( теорема Ван Ситтерта – Цернике ) и бифотонным излучением.

Приложения

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 ). Одиночные фотоны, а также пары фотонов часто используются в экспериментах и ​​приложениях с квантовой информацией, таких как квантовая криптография и тестовые эксперименты Белла .

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

Альтернативы

Недавно обнаруженный эффект двухфотонного излучения из полупроводников с электрическим приводом был предложен в качестве основы для более эффективных источников запутанных пар фотонов. За исключением пар фотонов, генерируемых SPDC, фотоны пары, испускаемой полупроводником, обычно не идентичны, а имеют разные энергии. 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 образования пар коррелированных фотонов в SPDC показал, что иногда отдельные фотоны, составляющие пару, могут испускаться из пространственно разделенных точек.

использованная литература