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量子光學(xué)教學(xué)套件

原創(chuàng) discovery Thorlabs索雷博 2023-06-28 12:03 發(fā)表于上海

Thorlabs新推出EDU-QOP1(/M)量子光學(xué)教學(xué)套件，讓學(xué)生可以在開放、易用的環(huán)境中研究光的量子性質(zhì)。從生成光子對(duì)的type-I BBO晶體到*的單光子探測(cè)器，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置采用自由空間光路，讓學(xué)生清楚地看到從哪里測(cè)量，在何時(shí)測(cè)量。這個(gè)套件特別重要的一個(gè)方面是便于理解什么是非經(jīng)典光源。

套件包含完成量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)需要的所有組件，但光學(xué)平臺(tái)或面包板除外。對(duì)于公制產(chǎn)品，我們推薦使用B60120AX面包板和AV5/M隔振支腳。

基礎(chǔ)理論

光的量子描述光在量子力學(xué)通過(guò)電磁場(chǎng)的量子化激發(fā)進(jìn)行描述，而z,u,i小可能的激發(fā)為單光子(量子數(shù)n = 1)。?？藨B(tài)是具有明確光子數(shù)的非經(jīng)典狀態(tài)，而經(jīng)典光則沒(méi)有明確的光子數(shù)。

?？藨B(tài)、相干態(tài)和熱態(tài)的光子數(shù)分布 此處三種狀態(tài)的平均光子數(shù)n =5

激光處于某種相干態(tài)。對(duì)于給定的平均光子數(shù)，實(shí)際光子數(shù)遵循泊松分布。衰減激光只能減小平均光子數(shù)，但統(tǒng)計(jì)仍呈現(xiàn)泊松分布。因此，衰減的激光無(wú)法作為量子實(shí)驗(yàn)的單光子源。另外，LED或黑體輻射等其它經(jīng)典光源通過(guò)熱態(tài)描述，其光子數(shù)分布方差還大于激光。

單光子的產(chǎn)生單光子是指光子數(shù)n = 1的福克態(tài)。產(chǎn)生單光子的方法有很多，但目前多數(shù)基于裝置簡(jiǎn)單且工作穩(wěn)定的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換(SPDC)過(guò)程，從一個(gè)泵浦光子產(chǎn)生兩個(gè)光子。它們幾乎同時(shí)產(chǎn)生，通過(guò)一個(gè)光子可預(yù)示另一個(gè)光子的存在，從而對(duì)單光子進(jìn)行測(cè)量。這也是SPDC光源被稱為宣布式單光子源的原因。

EDU-QOP1(/M)套件也使用SPDC單光子源，通過(guò)BBO晶體將一個(gè)405 nm泵浦光子變成兩個(gè)810 nm光子。光子對(duì)之間有6°夾角。為了簡(jiǎn)化不可見(jiàn)光的對(duì)準(zhǔn)過(guò)程，我們用錐透鏡把對(duì)準(zhǔn)激光變成一個(gè)角度相同的光錐。以可見(jiàn)光作為參考便于對(duì)準(zhǔn)單光子探測(cè)器。

符合計(jì)數(shù)探測(cè)三個(gè)SPDMA單光子探測(cè)器之間的符合計(jì)數(shù)通過(guò)一個(gè)教學(xué)級(jí)時(shí)間標(biāo)記器分析。如下圖所示，對(duì)于T通道的每個(gè)事件，它會(huì)檢查A或B通道在前后幾納秒的時(shí)間窗口內(nèi)是否發(fā)生了另一個(gè)事件。如果發(fā)生，T&A或T&B之間就有一次符合計(jì)數(shù)。如果三個(gè)探測(cè)器在同一時(shí)間窗口內(nèi)記錄到光子就有一次三重符合計(jì)數(shù)。

三個(gè)單光子計(jì)數(shù)通道

符合計(jì)數(shù)的定義

對(duì)于關(guān)聯(lián)光子對(duì)光源，在兩路之間測(cè)量的符合計(jì)數(shù)率經(jīng)常大于非關(guān)聯(lián)光源的情況。在分三路探測(cè)的GRA實(shí)驗(yàn)中，因?yàn)樾际焦庾訉?duì)無(wú)法同時(shí)在三個(gè)探測(cè)器上觸發(fā)計(jì)數(shù)事件，三重符合計(jì)數(shù)率接近于零。

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

1.衰減激光HBT (Hanbury-Brown-Twiss)實(shí)驗(yàn)使用衰減很大的激光作為光源。光均勻分束后分別由A和B兩個(gè)探測(cè)器接收，然后分析它們的符合計(jì)數(shù)率。

學(xué)生將認(rèn)識(shí)到衰減的激光不是單光子源。有人可能把激光看成一連串發(fā)射的光子，通過(guò)衰減就能將其變得像一個(gè)個(gè)單獨(dú)飛行的點(diǎn)。但這種觀點(diǎn)忽視了到達(dá)探測(cè)器的光子要遵循某種基本統(tǒng)計(jì)的事實(shí)。衰減激光不會(huì)改變統(tǒng)計(jì)規(guī)律，無(wú)法使相干光源變成非經(jīng)典光源。

2.光子對(duì)光源  在BBO晶體中產(chǎn)生的光子對(duì)分別由T和A兩個(gè)探測(cè)器接收，通過(guò)符合計(jì)數(shù)表征這種光源的非經(jīng)典特性。學(xué)生將理解BBO晶體產(chǎn)生光子對(duì)的同時(shí)性。因?yàn)橐粚?duì)光子幾乎同時(shí)到達(dá)兩個(gè)探測(cè)器，符合計(jì)數(shù)率遠(yuǎn)大于隨機(jī)光源或熱光源的期望值。

3.在光子對(duì)光源的一路中重做HBT實(shí)驗(yàn)通過(guò)阻擋一路光，學(xué)生將看到在只測(cè)量另一路光時(shí)，光仍然表現(xiàn)出經(jīng)典行為。因?yàn)椴⒉皇窃诋a(chǎn)生光子對(duì)后兩路就各有一個(gè)單光子源。如果只考慮其中一路，光子數(shù)仍遵循經(jīng)典統(tǒng)計(jì)。

4.使用光子對(duì)光源重做HBT實(shí)驗(yàn)使用三個(gè)探測(cè)器將實(shí)驗(yàn)3擴(kuò)展為GRA (Grangier-Roger-Aspect)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)T&A、T&B以及三重符合計(jì)數(shù)率表征光子對(duì)的狀態(tài)。學(xué)生將看到在同時(shí)測(cè)量光子對(duì)的兩個(gè)光子時(shí)，一路中的光將表現(xiàn)出非經(jīng)典行為。

5.使用熒光重做GRA實(shí)驗(yàn)學(xué)生將看到光的非經(jīng)典性質(zhì)來(lái)自通過(guò)BBO晶體產(chǎn)生的光子對(duì)，而不是三個(gè)探測(cè)器的配置。即使使用相同的探測(cè)器配置測(cè)量熒光也不會(huì)產(chǎn)生非經(jīng)典光源的結(jié)果。

6.馬呂斯定律在探測(cè)器B前面加一個(gè)旋轉(zhuǎn)線偏振片重做GRA實(shí)驗(yàn)，分析T&B的符合計(jì)數(shù)率和偏振片角度的相關(guān)性，讓學(xué)生理解單光子的偏振性質(zhì)。

在經(jīng)典波動(dòng)理論中，偏振片將入射光分成平行和垂直的兩個(gè)分量。一個(gè)被吸收，一個(gè)被透過(guò)。但對(duì)于不可分的單光子，偏振片有什么用呢？在量子光學(xué)中，光子的偏振態(tài)是不同基態(tài)的疊加，而經(jīng)典波的透過(guò)率將由概率取代。如果光子被透過(guò)，它保留能量并得到由偏振片設(shè)定的偏振態(tài)。另一種情況就是光子被吸收。

7.單光子邁克爾遜干涉儀在探測(cè)器B前面加一個(gè)邁克爾遜干涉儀裝置，移動(dòng)其中一個(gè)反射鏡并監(jiān)測(cè)T&B的符合計(jì)數(shù)率。學(xué)生通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)可看到單光子也能表現(xiàn)出干涉行為。

光子并非只通過(guò)一條路徑卻不攜帶另一條路徑的信息而無(wú)法與自己干涉。使用宣布式單光子源就能觀測(cè)到干涉條紋。這個(gè)裝置的平均光子數(shù)約為0.02，因此能排除兩個(gè)光子相互干涉的情況。

8.量子擦除sh,ou先在邁克爾遜干涉儀的兩臂中各加入一個(gè)偏振片，分別觀測(cè)兩偏振片在平行和正交時(shí)的干涉結(jié)果。然后在探測(cè)器B前加一個(gè)45°偏振片重新觀測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雖然兩偏振片正交時(shí)會(huì)產(chǎn)生路徑信息并導(dǎo)致干涉消失，但在干涉儀的輸出端加一個(gè)45°偏振片就能擦除路徑信息并恢復(fù)干涉。

在未擦除路徑信息前，有人可能以為光子須決定走干涉儀的哪一條路徑，但這是一種誤解。從原理上講，光子是各種狀態(tài)的疊加，而且每一個(gè)狀態(tài)只有在被測(cè)量后才能出現(xiàn)。沒(méi)有測(cè)量，光子就不需決定走哪一條路徑。

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