자발적 파라미터 다운-변환

자발적 파라메트릭 다운-변환(SPDC, 파라메트릭 형광 또는 파라메트릭 산란이라고도 함)은 e의 보존 법칙에 따라 높은 에너지의 광자(이름, 펌프 광자), 낮은 에너지의 광자 쌍(이름, 신호 광자 및 아이들러 광자)으로 변환하는 비선형 순간 광학 공정이다.에너지와 운동량 보존의 법칙그것은 양자 광학에서, 얽힌 광자 쌍과 단일 광자의 생성을 위한 중요한 과정이다.

기본공정

비선형 크리스탈은 광자 빔을 광자 쌍으로 분할하는데 사용되는데, 광자 쌍은 에너지 보존 법칙과 운동량 보존 법칙에 따라 에너지와 모멘텀을 결합하여 원래 광자와 결정 격자의 에너지와 운동량과 동일하다.굴절지수는 주파수(분산)에 따라 변화하기 때문에 특정 주파수 3중주만 위상일치하여 에너지와 모멘텀 보존을 동시에 달성할 수 있게 된다.위상 매칭은 양극화에 따라 굴절 지수가 변하는 2중선 비선형 재료를 사용하여 가장 일반적으로 달성된다.그 결과, 입력 광자(펌프)와 두 출력 광자(신호 및 아이들러)의 편광에 의해 서로 다른 유형의 SPDC가 분류된다.신호와 아이들러 광자가 서로 동일한 양극화를 공유하고 파괴된 펌프 광자와는 동일한 양극화를 공유하는 경우 Type-0 SPDC로 간주하고,^[1] 신호와 아이들러 광자가 서로 같은 양극화를 공유하지만 펌프 양극화와 직교하는 경우 Type-I SPDC로 간주한다.신호와 아이들러 광자가 수직 편광성을 갖는 경우, 타입 II SPDC로 간주한다.^[2]

SPDC의 변환 효율은 일반적으로 매우 낮으며, 도파관 내 PPLN에 대한 유입 광자 10개당⁶ 4쌍의 순서로 가장 높은 효율을 얻는다.^[3]다만 짝("신호")의 절반 정도가 언제든지 검출되면 파트너("아이들러")가 존재하는 것으로 알려졌다.Type I down converter 출력의 퇴보 부분은 광자 수 항만 포함하는 압축된 진공이다.타입 II 다운 컨버터의 퇴보된 출력은 2-모드 압착 진공이다.

예

일반적으로 사용되는 SPDC 장비 설계에서 "펌프" 빔이라고 불리는 강한 레이저 빔은 BBO(베타바륨 붕산염) 또는 리튬 니오바이트 결정을 향한다.대부분의 광자는 수정체를 통해 직진한다.그러나 때때로 광자 중 일부는 타입 II 양극화 상관관계와 함께 자발적인 하향 변환을 겪으며, 그 결과 상관관계가 있는 광자 쌍은 두 개의 원뿔의 가장자리를 따라 제약을 받는 궤적을 가지고 있는데, 이 두 개의 원뿔의 가장자리를 따라 축이 펌프 빔에 비례하여 대칭적으로 배열된다.또한 모멘텀의 보존 때문에 두 광자는 항상 원추의 가장자리를 따라 펌프 빔에 비례하여 대칭적으로 위치한다.중요한 것은, 원뿔이 교차하는 두 선에 광자 쌍의 궤적이 동시에 존재할 수 있다는 점이다.이로 인해 편광화가 수직인 광자 쌍이 얽히게 된다.^{[4][5]: 205}

또 다른 결정체는 KDP(이수소 인산칼륨)로, 주로 제1종 다운 변환에 사용되는데, 두 광자의 양극화가 동일하다.^[6]

비교적 가정용품을 사용하여 하향 변환을 볼 수 있는 또 다른 방법은 다음과 같다: 일반적인 녹색 레이저 포인터와 올리브 오일이 들어 있는 투명한 병을 사용하여 녹색 레이저 빔을 올리브 오일을 통해 비춘 다음 녹색 레이저 빔을 통해 길을 보여주는 빨간색 광자를 산란시킨다(다른 고전 가정에서는 작동하지 않음).샐러드 오일).^{[citation needed]}

역사

SPDC는 빠르면 1967년경 D뿐만 아니라 S. E. Harris, M. K. Oshman, R.L.^[7] Byer에 의해 입증되었다.마그데와 H.^[8] 마흐1980년대 후반 캐럴 앨리와 옌화 시, 루파만자리 고쉬와 레오나드 만델이라는 두 독립된 연구자들의 일관성과 관련된 실험에 처음 적용되었다.^[9][10]일관성 없는(Van Cittert-Zernike 정리)과 비포톤 배출 사이의 이중성이 발견되었다.^[11]

적용들

SPDC는 단일 광자를 포함하는 광학장 생성(좋은 근사치까지)을 허용한다.2005년 현재, 이것은 실험자가 단일 광자(Fock 상태라고도 한다)^[12]를 만드는 주요 메커니즘이다.광자 쌍뿐만 아니라 단일 광자 쌍도 양자 정보 실험과 양자 암호학, 벨 실험과 같은 응용에 자주 사용된다.

SPDC는 공간 상관도가 높은 얽힌 광자 쌍을 만드는 데 널리 사용된다.^[13]그러한 쌍은 두 개의 광선 검출기에서 정보를 결합하는 고스트 이미징에 사용된다. 즉, 물체를 보지 않는 기존의 다중 픽셀 검출기와 물체를 보는 단일 픽셀(버킷) 검출기가 그것이다.

대안

전기 구동 반도체의 2광자 방출이 새롭게 관측된 효과는 얽힌 광자 쌍의 보다 효율적인 출처를 위한 근거로 제시되었다.^[14]SPDC에서 생성된 광자 쌍을 제외하고, 반도체 쌍의 광자는 대개 동일하지는 않지만 다른 에너지를 가진다.^[15]최근까지, 양자 불확실성의 제약 내에서, 방출된 광자 쌍은 같은 위치에서 태어난다고 가정되었다.그러나 SPDC에서 상관 관계가 있는 광자 쌍의 생산을 위한 새로운 비지역화 메커니즘은 쌍을 구성하는 개별 광자를 공간적으로 분리된 지점에서 방출할 수 있다는 점을 강조하였다.^[16][17]

참조