Введение
Спонтанное параметрическое нисходящее преобразование (также известное как SPDC, параметрическая флуоресценция или параметрическое рассеяние) — это нелинейный мгновенный оптический процесс, который преобразует один фотон с более высокой энергией (так называемый фотон накачки) в пару фотонов с более низкой энергией (так называемые сигнальный фотон и фотон холостого хода), в соответствии с законом сохранения энергии и законом сохранения импульса. Это важный процесс в квантовой оптике для генерации пар запутанных фотонов и одиночных фотонов.
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.
Основной процесс
Нелинейный кристалл используется для генерации пар фотонов из фотонного пучка. В соответствии с законом сохранения энергии и законом сохранения импульса, суммарные энергии и импульсы пар фотонов равны энергии и импульсу исходного фотона. Поскольку показатель преломления зависит от частоты (дисперсия), фазовое согласование достигается лишь для определенных комбинаций частот, обеспечивающих одновременное сохранение энергии и импульса. Фазовое согласование чаще всего достигается в двупреломляющих нелинейных материалах, показатель преломления которых изменяется с поляризацией. В результате различные типы спонтанного параметрического рассеяния (SPDC) классифицируются по поляризациям входного фотона (накачки) и двух выходных фотонов (сигнала и холостого хода). Если сигнал и фотоны холостого хода имеют одинаковую поляризацию друг с другом и с поглощенным фотоном накачки, это классифицируется как SPDC типа 0; если сигнал и фотоны холостого хода имеют одинаковую поляризацию друг с другом, но ортогональны поляризации накачки, это SPDC типа I; и если сигнал и фотоны холостого хода имеют перпендикулярные поляризации, это SPDC типа II. Эффективность преобразования в SPDC обычно очень низкая, при этом максимальная эффективность составляет порядка 4x10⁶ входящих фотонов для PPLN в волноводах. Однако, если один из фотонов пары обнаружен, то известно, что его партнер присутствует. Дегенеративная часть выхода преобразователя типа I представляет собой сжатый вакуум, содержащий только четные члены числа фотонов. Недегенерированный выход преобразователя типа II представляет собой двухмодовый сжатый вакуум.
История
SPDC был продемонстрирован еще в 1967 году С. Э. Харрисом, М. К. Ошманом и Р. Л. Байером, а также Д. Магде и Х. Махром. Впервые он был применен в экспериментах, связанных с когерентностью, двумя независимыми группами исследователей в конце 1980-х годов: Кэрролл Элли и Яньхуа Ши, и Рупаманджари Гош и Леонард Мандель. Была установлена двойственность между некогерентным излучением (теорема Ван Циттерта — Зернике) и эмиссией бифотонов.
Приложения
SPDC позволяет создавать оптические поля, содержащие (с хорошей точностью) один фотон. По состоянию на 2005 год это является основным методом для экспериментаторов по созданию одиночных фотонов (также известных как состояния Фока). Одиночные фотоны и пары фотонов часто используются в экспериментах по квантовой информации и в приложениях, таких как квантовая криптография и эксперименты для проверки неравенств Белла. SPDC широко применяется для создания пар запутанных фотонов с высокой степенью пространственной корреляции. Такие пары используются в призрачной съемке, где информация объединяется с двух световых детекторов: обычного многопиксельного детектора, не просматривающего объект, и однопиксельного (букетного) детектора, просматривающего объект.
Альтернативы
Недавно наблюдаемый эффект двухфотонного излучения в электрически управляемых полупроводниках был предложен в качестве основы для создания более эффективных источников запутанных пар фотонов. В отличие от пар фотонов, генерируемых спонтанным параметрическим рассеянием (SPDC), фотоны пары, испускаемой полупроводником, обычно не идентичны, а имеют различные энергии. До недавнего времени, в рамках ограничений принципа неопределенности, считалось, что испускаемые фотоны пары возникают в одной и той же точке. Однако недавно обнаруженный нелокализованный механизм генерации коррелированных пар фотонов в SPDC показал, что отдельные фотоны, составляющие пару, иногда могут испускаться из пространственно разделенных точек.