自发参量下转换

✍ dations ◷ 2025-07-11 15:25:10 #自发参量下转换

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。卡罗尔·艾利(英语:Carroll Alley)与史砚华(英语:Yan Hua Shih)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(英语:Leonard Mandel)最早做自发参量下转换实验获得双粒子干涉条纹。

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, ω p {displaystyle omega _{p}} ω s {displaystyle omega _{s}} ω i {displaystyle omega _{i}} 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, k p {displaystyle mathbf {k} _{p}} k s {displaystyle mathbf {k} _{s}} k i {displaystyle mathbf {k} _{i}} 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。: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。

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。假若仪器探测到信号光子,则闲置光子必定也存在。

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:205

其中, | H {displaystyle |Hrangle } 是水平偏振, | V {displaystyle |Vrangle } 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。

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。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。量子信息实验、量子密码实验、贝尔实验检验(英语:Bell test experiments)等等,时常会用到单独光子或光子对。

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