自发参量下转换
![](http://images.weserv.nl/?url=//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/74/Spontaneous_Parametric_Downconversion.png/250px-Spontaneous_Parametric_Downconversion.png)
在量子光学里,自发参量下转换(英文:Spontaneous Parametric Down-Conversion,缩写:SPDC)是一种很重要的技术,可以用来制备单独光子或彼此之间量子纠缠的光子对。
早在1970年,大卫·伯纳姆(David Burnham)与唐纳德·温伯格(Donald Weinberg)就已对于自发参量下转换给出详细科学描述。[1][2]卡罗尔·艾利与史砚华首先用自发参量下转换机制制造出纠缠态。鲁巴·戈什(Ruba Ghosh)与伦纳德·曼德尔最早做自发参量下转换实验获得双粒子干涉条纹。[3]
基本程序
![](http://images.weserv.nl/?url=//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/df/Scheme_of_spontaneous_parametric_down-conversion.pdf/page1-200px-Scheme_of_spontaneous_parametric_down-conversion.pdf.jpg)
有一种非线性晶体可以用来将光子分裂成一个光子对,原本的光子称为“泵浦光子”,光子对里的两个光子分别任意称为“信号光子”、“闲置光子”。按照能量守恒定律与动量守恒定律,光子对的总能量与总动量等于泵浦光子的能量与动量。从能量守恒定律可以得到
- ;
其中,、、分别为泵浦光子、信号光子、闲置光子的角频率。
从动量守恒定律可以得到
- ;
其中,、、分别为泵浦光子、信号光子、闲置光子的波数向量。
这两个关系式称为相位匹配 条件。只有某些种类的非线性晶体能够达到这条件,例如,偏硼酸钡晶体或磷酸二氢钾晶体。[4]:214-216
假若信号光子与闲置光子的共享同样的偏振,并且与泵浦光子相互垂直,则称此为第一型关联;假若信号光子与闲置光子的偏振相互垂直,则称此为第二型关联。相继发射的光子对彼此之间没有任何偏振关联。[5]
自发参量下转换是由随机的真空涨落所激发,因此光子对被生成于随机时刻。转换效率很低,大约每10^12个入射光子会生成一个光子对。[6]假若仪器探测到信号光子,则闲置光子必定也存在。
实例
![](http://images.weserv.nl/?url=//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/22/SPDC_figure_zh-hans.png/200px-SPDC_figure_zh-hans.png)
自发参量下转换已成为现今最常用的实验方法之一。这实验方法的一种实现是照射激光束于偏硼酸钡晶体,大多数光子会穿透过晶体,只有少数光子会因第二型自发参量下转换,生成一对一对的孪生光子。这些孪生光子对的直线轨道分别包含于两个圆锥面,如右图所示,一个圆锥面包含水平偏振轨道,另一个圆锥面包含垂直偏振轨道,而两个圆锥面的交集是两条直线,轨道为这两条直线的两个光子可以具有水平偏振或垂直偏振,假若一个具有水平偏振,则另一个具有垂直偏振;假若一个具有垂直偏振,则另一个具有水平偏振。假若不做测量,则不能辨识到底哪个光子具有水平偏振,哪个光子具有垂直偏振,因此,这两个偏振相互垂直的光子纠缠在一起,纠缠态为[7]:205[8]
- ;
其中,是水平偏振,是垂直偏振。
磷酸二氢钾晶体主要用于第一型自发参量下转换,制成的光子对具有相同的偏振。[9]
应用
自发参量下转换可以用来制备拥有(良好的近似)单独一个光子的光学场。直至2005年为止,这是制备单独光子实验使用的主要的机制。[10]2008年,另外一种机制用电驱动半导体源被提出,其基本原理是新观察到的半导体的双光子发射效应。[11]量子信息实验、量子密码实验、贝尔实验检验等等,时常会用到单独光子或光子对。
参考文献
- ^ D. C. Burnham and D. L. Weinberg, "Observation of simultaneity in parametric production of optical photon pairs", Phys. Rev. Lett. 25, 84-87 (1970)
- ^ D. Greenberger, M. Horne, and A. Zeilinger, "A Bell Theorem Without Inequalities for Two Particles, Using Efficient Detectors" (2005), note 18.
- ^ Greenberger, Daniel; et al. Multiparticle Interferometry and the Superposition Principle (PDF). Physics Today. 1993, 46 (8): 22 [2014-10-26]. doi:10.1063/1.881360. (原始内容 (PDF)存档于2014-10-26).
- ^ Christopher Gerry; Peter Knight. Introductory Quantum Optics. Cambridge University Press. 2005. ISBN 978-0-521-52735-4.
- ^ Dehlinger, Dietrich; Mitchell, Morgan. Entangled photon apparatus for the undergraduate laboratory. Am. J. Phys. 2002, 70: 898 [2014-10-26]. doi:10.1119/1.1498859. (原始内容存档于2022-04-26).
- ^ 存档副本 (PDF). [2014-10-26]. (原始内容 (PDF)存档于2020-10-27).
- ^ Anton Zeilinger. The super-source and closing the communication loophole. Dance of the Photons: From Einstein to Quantum Teleportation. Farrar, Straus and Giroux. 12 October 2010. ISBN 978-1-4299-6379-4.
- ^ P. Kwiat; et al. New High-Intensity Source of Polarization-Entangled Photon Pairs. Phys. Rev. Lett. 1995, 75 (24): 4337–4341. Bibcode:1995PhRvL..75.4337K. doi:10.1103/PhysRevLett.75.4337.
- ^ Reck, M H A, Quantum Interferometry with Multiports:Entangled Photons in Optical Fibers (page 115) (PDF), [16 February 2014], (原始内容 (PDF)存档于2019-12-13)
- ^ Zavatta, Alessandro; Viciani, Silvia; Bellini, Marco. Tomographic reconstruction of the single-photon Fock state by high-frequency homodyne detection. Physical Review A. 2004, 70 (5): 053821 [2014-10-26]. doi:10.1103/PhysRevA.70.053821. (原始内容存档于2022-06-28).
- ^ A. Hayat, P. Ginzburg, M. Orenstein, Observation of Two-Photon Emission from Semiconductors (页面存档备份,存于互联网档案馆), Nature Photon. 2, 238 (2008)