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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)典光則沒有明確的光子數(shù)。

福克態(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?？藨B(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)化不可見光的對(duì)準(zhǔn)過程，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)來自通過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。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)典波的透過率將由概率取代。如果光子被透過，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。

光子并非只通過一條路徑卻不攜帶另一條路徑的信息而無法與自己干涉。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)。沒有測(cè)量，光子就不需決定走哪一條路徑。

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