Сигнальный фотон
Cтраница 2
Чтобы не думать, что для наблюдения интерференции с двумя вниз-конверторами всегда необходимо измерять двухфотонные совпадения, рассмотрим экспериментальную схему, показанную на рис. 22.9. Мы вновь имеем нелинейные кристаллы NL1 и NL2, выполняющие функции вниз-конверторов, которые оптически накачиваются взаимно когерентными лучами накачки, полученными от одного и того же лазера. Как и прежде, мы даем возможность двум сигнальным фотонам si и 2 прибыть одновременно, быть смешанными внешним светоделителем BSo и попасть на сигнальный детектор Ds. Снова интересуемся вопросом, проявят ли два сигнала интерференцию в случае, когда выход детектора Ds будет подвергнут синусоидальному колебанию, при котором BSo перемещается в направлении, перпендикулярном его лицевой стороне. [17]
Хотя гамильтониан с двухмодового квантованного поля (22.4.3) описывает некоторые характерные черты процесса вниз-конверсии, этого недостаточно в других случаях, потому что вниз-конвертированный свет может быть широкополосным и далеко не монохроматическим. Даже если сумма по сигнальным и холостым частотам имеет вполне определенное значение, каждый сигнальный фотон и каждый холостой фотон могут иметь широкую полосу частот, так что фотон ведет себя скорее как короткий волновой пакет, чем как монохроматическая волна. [18]
Явление спонтанной параметрической вниз-конверсии дает нам состояние, очень приближенное к идеальному однофотонному состоянию, которое можно использовать как зонд или как источник других процессов, поскольку обнаружение сигнального фотона всегда означает наличие родственного холостого фотона. На рис. 22.3 показаны результаты измерений вероятности р ( п) появления п холостых фотонов в определенном месте и времени при условии обнаружения сигнального фотона в соответствующем сопряженном месте в пределах определенного интервала времени. Очевидно, что на каждый детектированный сигнальный фотон приходится один холостой фотон. [19]
Но, как и раньше, волна накачки должна быть представлена одной модой. Нас интересует число сигнальных фотонов и фотонов холостой волны, излученных в единицу времени, в единичном частотном интервале и в единицу телесного угла в результате возбуждения волной накачки. За начальное состояние сигнальных фотонов и фотонов холостой волны следует выбрать вакуумное состояние. [20]
Явление спонтанной параметрической вниз-конверсии дает нам состояние, очень приближенное к идеальному однофотонному состоянию, которое можно использовать как зонд или как источник других процессов, поскольку обнаружение сигнального фотона всегда означает наличие родственного холостого фотона. На рис. 22.3 показаны результаты измерений вероятности р ( п) появления п холостых фотонов в определенном месте и времени при условии обнаружения сигнального фотона в соответствующем сопряженном месте в пределах определенного интервала времени. Очевидно, что на каждый детектированный сигнальный фотон приходится один холостой фотон. [21]
Рассмотрим систему связи оптического диапазона с дискретной амплитудной модуляцией. Предположим, что в канале действует помеха с распределением шумовых фотонов, подчиняющимся закону Пуассона. Как показано в приложении 2, распределение сигнальных фотонов является также пуассоновским. [22]
Некоторые интересные квантовые эффекты выявляются в интерференционных экспериментах с применением двух вниз-конверторов типа тех, которые мы уже рассматривали. Например, обсудим эксперимент, проиллюстрированный на рис. 22.7, в котором два одинаковых нелинейных кристалла NL1 и NL2, действующие как вниз-конверторы, накачиваются светом частоты CJQ, полученным из одного и того же лазерного луча. Предположим теперь, что схема эксперимента такова, что сигнальные фотоны si и 2 одновременно попадают в 50 %: 50 % - светоделитель ВЗл и смешиваются в нем. Комбинированное поле падает на детектор DA - Таким же образом холостые фотоны i и i2 одновременно попадают в В8в, и комбинированное поле холостых фотонов падает на детектор DB - Нас интересует, будут ли два поля сигнальных фотонов si, 2 и Два поля холостых фотонов ii, 1 % интерферировать в этих условиях. [23]
 |
Схема эксперимента по проверке неравенства Белла. ( Из работы Ou and Mandel. [24] |
Если для вырожденного параметрического процесса ( vc - х) выполняется условие фазового синхронизма, сигнальные и холостые фотоны выходят под малыми углами к пучку накачки. Эти фотоны являются линейно поляризованными, и их векторы напряженности электрического поля направлены перпендикулярно рисунку. Холостые фотоны проходят через 90 -вращатель поляризации, тогда как сигнальные фотоны проходят через компенсирующую стеклянную пластинку С для создания одинаковой задержки во времени. Затем два пучка с противоположных сторон падают на светоделитель ( BS), что приводит к образованию двух пучков, состоящих из смешанных сигнальных и холостых фотонов. [25]
Можно с уверенностью сказать, что прогресс в развитии систем связи оптического диапазона во многом зависит от успешного решения задачи вхождения в связь двух корреспондентов. Безусловно, эта задача будет решена. Однако требование быстродействия при сканировании луча снова приводит к малому числу сигнальных фотонов на входе приемника. [26]
В данный момент в схеме измерения двухфо-тонных совпадений на самом деле не существует способа определения источника каждой фотонной пары без внесения возмущений. Но предположим, что нас интересуют только сигнальные фотоны и то, будут ли они интерферировать. Так как холостые фотоны нам не интересны, мы можем убрать светоделитель В8в без нарушения интерференции сигнальных фотонов. Логически вытекает, что источник каждого зарегистрированного сигнального фотона может быть идентифицирован таким способом, и по этой причине вся неразличимость источников теряется, как и вся интерференция тоже. Необязательно, однако, чтобы вспомогательное измерение было выполнено на самом деле. Возможности того, что оно может быть выполнено, достаточно, чтобы подавить интерференцию. Подобная аргументация показывает, что холостые фотоны тоже не интерферируют. [27]
В данный момент в схеме измерения двухфо-тонных совпадений на самом деле не существует способа определения источника каждой фотонной пары без внесения возмущений. Но предположим, что нас интересуют только сигнальные фотоны и то, будут ли они интерферировать. Так как холостые фотоны нам не интересны, мы можем убрать светоделитель В8в без нарушения интерференции сигнальных фотонов. Логически вытекает, что источник каждого зарегистрированного сигнального фотона может быть идентифицирован таким способом, и по этой причине вся неразличимость источников теряется, как и вся интерференция тоже. Необязательно, однако, чтобы вспомогательное измерение было выполнено на самом деле. Возможности того, что оно может быть выполнено, достаточно, чтобы подавить интерференцию. Подобная аргументация показывает, что холостые фотоны тоже не интерферируют. [28]
Таким образом, среднее число сигнальных фотонов возрастает по экспоненциальному закону; это означает, что происходит параметрическое усиление. Коэффициент временного усиления 2 v пропорционален модулю амплитуды волны накачки. Рассмотрим сначала в формуле для этой величины последнее слагаемое, содержащее произведение сигнальной и холостой компонент. Это слагаемое исчезает в следующих случаях: если вначале вообще нет сигнальных фотонов и фотонов холостой волны; если вначале сигнальные фотоны и фотоны холостой волны, хотя и присутствуют, но одна из волн или обе волны имеют статистически неопределенную фазу. Последний случай реализуется в состояниях с фиксированным числом частиц или при хаотическом излучении ( ср. С другим предельным случаем мы встречаемся, если как сигнальная, так и холостая волны могут быть описаны глауберовским состоянием ( ср. [29]
Таким образом, среднее число сигнальных фотонов возрастает по экспоненциальному закону; это означает, что происходит параметрическое усиление. Коэффициент временного усиления 2 v пропорционален модулю амплитуды волны накачки. Рассмотрим сначала в формуле для этой величины последнее слагаемое, содержащее произведение сигнальной и холостой компонент. Это слагаемое исчезает в следующих случаях: если вначале вообще нет сигнальных фотонов и фотонов холостой волны; если вначале сигнальные фотоны и фотоны холостой волны, хотя и присутствуют, но одна из волн или обе волны имеют статистически неопределенную фазу. Последний случай реализуется в состояниях с фиксированным числом частиц или при хаотическом излучении ( ср. С другим предельным случаем мы встречаемся, если как сигнальная, так и холостая волны могут быть описаны глауберовским состоянием ( ср. [30]
Страницы: 1 2 3