在(量子光學)裡,自發參量下轉換(英文:Spontaneous Parametric Down-Conversion,縮寫:SPDC)是一種很重要的技術,可以用來製備單獨光子或彼此之間量子糾纏的光子對。
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早在1970年,大衛·伯納姆(David Burnham)與唐納德·溫伯格(Donald Weinberg)就已對於自發參量下轉換給出詳細科學描述。與首先用自發參量下轉換機制製造出糾纏態。鲁巴·戈什(Ruba Ghosh)與最早做自發參量下轉換實驗獲得雙粒子干涉條紋。
基本程序
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有一種(非線性晶體)可以用來將光子分裂成一個光子對,原本的光子稱為「泵浦光子」,光子對裏的兩個光子分別任意稱為「信號光子」、「閒置光子」。按照能量守恆定律與(動量守恆定律),光子對的總能量與總動量等於泵浦光子的能量與動量。從能量守恆定律可以得到
;
其中,、
、
分別為泵浦光子、信號光子、閒置光子的(角頻率)。
從動量守恆定律可以得到
;
其中,、
、
分別為泵浦光子、信號光子、閒置光子的(波數向量)。
這兩個關係式稱為(相位匹配) 條件。只有某些種類的非線性晶體能夠達到這條件,例如,(偏硼酸鋇)晶體或(磷酸二氫鉀)晶體。:214-216
假若信號光子與閒置光子的共享同樣的偏振,並且與泵浦光子相互垂直,則稱此為第一型關聯;假若信號光子與閒置光子的偏振相互垂直,則稱此為第二型關聯。相繼發射的光子對彼此之間沒有任何偏振關聯。
自發參量下轉換是由隨機的(真空漲落)所激發,因此光子對被生成於隨機時刻。轉換效率很低,大約每10^12個入射光子會生成一個光子對。假若儀器探測到信號光子,則閒置光子必定也存在。
實例
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自發參量下轉換已成為現今最常用的實驗方法之一。這實驗方法的一種實現是照射激光束於(偏硼酸鋇)晶體,大多數光子會穿透過晶體,只有少數光子會因第二型自發參量下轉換,生成一對一對的孿生光子。這些孿生光子對的直線軌道分別包含於兩個圓錐面,如右圖所示,一個圓錐面包含水平偏振軌道,另一個圓錐面包含垂直偏振軌道,而兩個圓錐面的交集是兩條直線,軌道為這兩條直線的兩個光子可以具有水平偏振或垂直偏振,假若一個具有水平偏振,則另一個具有垂直偏振;假若一個具有垂直偏振,則另一個具有水平偏振。假若不做測量,則不能辨識到底哪個光子具有水平偏振,哪個光子具有垂直偏振,因此,這兩個偏振相互垂直的光子糾纏在一起,糾纏態為:205
;
其中,是水平偏振,
是垂直偏振。
(磷酸二氫鉀)晶體主要用於第一型自發參量下轉換,製成的光子對具有相同的偏振。
應用
自發參量下轉換可以用來製備擁有(良好的近似)單獨一個光子的(光學場)。直至2005年為止,這是製備單獨光子實驗使用的主要的機制。2008年,另外一種機制用電驅動半導體源被提出,其基本原理是新觀察到的半導體的(雙光子發射)效應。(量子信息)實驗、(量子密碼)實驗、等等,時常會用到單獨光子或光子對。
參考文獻
- 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. (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).
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- Zavatta, Alessandro; Viciani, Silvia; Bellini, Marco. . 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)
參閱
外部連結
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