Оптикалық процестер: спонтанды параметрлік төмен түрлендіру
Spontaneous parametric down-conversion
Жақсырақ энергиясы бар фотон екі төмен энергиялы фотонға (сигнал және бос жүрісші) айналатын SPDC процесі туралы біліңіз. Кванттық оптика, фотон жұптастыру.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Оптикалық процесс
Optical process
Спонтандық параметрлік төмендеу түрлендіру (SPDC, параметрлік флуоресценция немесе параметрлік шашырау деп те аталады) – энергия сақталу заңы мен импульс сақталу заңына сәйкес, жоғары энергиялы бір фотонды (яғни, сорғы фотонын) төмен энергиялы екі фотонға (яғни, сигнал фотоны мен бос жүретін фотонға) түрлендіретін сызықтық емес, дерлік жылдам оптикалық процесс. Бұл кванттық оптикада маңызды процесс, фотондардың өзара байланысқан жұптарын және жеке фотондарды жасау үшін қолданылады.
Spontaneous parametric down conversion (also known as SPDC, parametric fluorescence or parametric scattering) is a nonlinear instant optical process that converts one photon of higher energy (namely, a pump photon), into a pair of photons (namely, a signal photon, and an idler photon) of lower energy, in accordance with the law of conservation of energy and law of conservation of momentum. It is an important process in quantum optics, for the generation of entangled photon pairs, and of single photons.
Негізгі процесс
Фотондар сәулесінен фотондар жұбын жасау үшін сызықтық емес кристалл қолданылады. Энергияның сақталу заңы мен импульстің сақталу заңына сәйкес, жұптардың біріктірілген энергиясы мен импульсі бастапқы фотонның энергиясы мен импульсіне тең болады. Сыну индексі жиілікке (дисперсияға) байланысты өзгеретіндіктен, энергия мен импульстің бір уақытта сақталуы үшін тек белгілі бір жиіліктердің топтамасы ғана фазалық үйлесімділікке ие болады. Фазалық үйлесімділік көбінесе екі қырлы сызықтық емес материалдарды қолдану арқылы қамтамасыз етіледі, олардың сыну индексі поляризацияға байланысты өзгереді. Осының нәтижесінде SPDC-нің түрлері кіріс фотонының (сорушы) және екі шығыс фотонының (сигнал және жұптас) поляризацияларына қарай жіктеледі. Егер сигнал және жұптас фотондары бір-бірімен де, жойылған сорушы фотонымен де бірдей поляризацияланған болса, онда ол 0 типті SPDC деп есептеледі; егер сигнал және жұптас фотондары бір-бірімен бірдей поляризацияланған болса, бірақ сорушы фотонының поляризациясына перпендикуляр болса, онда ол I типті SPDC; ал егер сигнал және жұптас фотондарының поляризациялары өзара перпендикуляр болса, онда ол II типті SPDC деп есептеледі. SPDC конверсиясының тиімділігі әдетте өте төмен, ең жоғары тиімділік толқын жетектеріндегі PPLN үшін 4x106 кіріс фотонына шамамен жетеді. Дегенмен, егер жұптың жартысы кез келген уақытта анықталса, оның серігі де бар екені белгілі болады. I типті төмендететін түрлендіргіштің дегенеративті бөлігі – тек жұп фотон санынан тұратын сығылған вакуум. II типті төмендететін түрлендіргіштің дегенеративті емес шығысы – екі режимді сығылған вакуум.
A nonlinear crystal is used to produce pairs of photons from a photon beam. In accordance with the law of conservation of energy and law of conservation of momentum, the pairs have combined energies and momenta equal to the energy and momentum of the original photon. Because the index of refraction changes with frequency (dispersion), only certain triplets of frequencies will be phase matched so that simultaneous energy and momentum conservation can be achieved. Phase matching is most commonly achieved using birefringent nonlinear materials, whose index of refraction changes with polarization. As a result of this, different types of SPDC are categorized by the polarizations of the input photon (the pump) and the two output photons (signal and idler). If the signal and idler photons share the same polarization with each other and with the destroyed pump photon it is deemed Type 0 SPDC; if the signal and idler photons share the same polarization to each other, but are orthogonal to the pump polarization, it is Type I SPDC; and if the signal and idler photons have perpendicular polarizations, it is deemed Type II SPDC. The conversion efficiency of SPDC is typically very low, with the highest efficiency obtained on the order of 4x10 6 incoming photons for PPLN in waveguides. However, if one half of the pair is detected at any time then its partner is known to be present. The degenerate portion of the output of a Type I down converter is a squeezed vacuum that contains only even photon number terms. The nondegenerate output of the Type II down converter is a two mode squeezed vacuum.
Тарих
SPDC 1967 жылы С. Э. Харрис, М. К. Ошман және Р. Л. Байер, сондай-ақ Д. Магде және Х. Махр көрсеткен. Оны алғаш рет 1980-жылдардың соңында екі тәуелсіз зерттеушілер тобы: Кэрролл Алли мен Янхуа Ши, және Рупаманджари Гош пен Леонард Мандель, когеренттілікке қатысты эксперименттерде қолданды. Келіспеушілік (Ван Циттерт–Зернике теоремасы) және бифотондық эмиссия арасындағы екіұштылық анықталды.
SPDC was demonstrated as early as 1967 by S. E. Harris, M. K. Oshman, and R. L. Byer, as well as by D. Magde and H. Mahr. It was first applied to experiments related to coherence by two independent pairs of researchers in the late 1980s: Carroll Alley and Yanhua Shih, and Rupamanjari Ghosh and Leonard Mandel. The duality between incoherent (Van Cittert–Zernike theorem) and biphoton emissions was found.
Қолданбалар
SPDC оптикалық өрістерді құруға мүмкіндік береді, онда (жақсы жуықтаумен) бір ғана фотон болады. 2005 жылдан бері, бұл экспериментатор үшін жалғыз фотондарды (Фок күйлері деп те аталады) жасаудың басты механизмі болып табылады. Жалғыз фотондар, сондай-ақ фотондар жұптары кванттық ақпарат эксперименттерінде және кванттық криптография, Белл сынақтары сияқты қолданыстарда жиі қолданылады. SPDC кеңістіктік корреляциясы жоғары дәрежеде байланысқан фотондар жұптарын жасау үшін кеңінен қолданылады. Мұндай жұптар көлеңкелі бейнелеуде қолданылады, онда екі жарық детектордан алынған ақпарат біріктіріледі: объектіні бақыламайтын дәстүрлі көп пикселді детектор және объектіні бақылайтын бір пикселді (шелек) детектор.
SPDC allows for the creation of optical fields containing (to a good approximation) a single photon. As of 2005, this is the predominant mechanism for an experimenter to create single photons (also known as Fock states). The single photons as well as the photon pairs are often used in quantum information experiments and applications like quantum cryptography and Bell test experiments. SPDC is widely used to create pairs of entangled photons with a high degree of spatial correlation. Such pairs are used in ghost imaging, in which information is combined from two light detectors: a conventional, multi pixel detector that does not view the object, and a single pixel (bucket) detector that does view the object.
Баламалар
Электрлік жартылай өткізгіштерден екі фотонның эмиссиясының жаңадан байқалған құбылысы, өзара байланысқан фотондар жұптарының тиімдірек көздерін жасауға негіз бола алады. SPDC арқылы жасалған фотондар жұбынан өзгеше, жартылай өткізгіштен шығарылған фотондар жұбы әдетте толықтай бірдей болмайды, олардың энергиялары әртүрлі болады. Бұған дейін, кванттық белгісіздік шектеулеріне сәйкес, эмиссияланған фотондар жұбының бір мезгілде пайда болатыны болжалды: олар бір нүктеден шығады. Дегенмен, SPDC-де корреляциялық фотондар жұбын өндірудің жаңа локальденбаған механизмі, кейде жұпты құрайтын жеке фотондар кеңістікте бөлек орналасқан нүктелерден эмиссияланатынын көрсетті.
The newly observed effect of two photon emission from electrically driven semiconductors has been proposed as a basis for more efficient sources of entangled photon pairs. Other than SPDC generated photon pairs, the photons of a semiconductor emitted pair usually are not identical but have different energies. Until recently, within the constraints of quantum uncertainty, the pair of emitted photons were assumed to be co located: they are born from the same location. However, a new nonlocalized mechanism for the production of correlated photon pairs in SPDC has highlighted that occasionally the individual photons that constitute the pair can be emitted from spatially separated points.