Conversión descendente paramétrica espontánea

La conversión descendente paramétrica espontánea (también conocida como SPDC , fluorescencia paramétrica o dispersión paramétrica ) es un proceso óptico instantáneo no lineal que convierte un fotón de mayor energía (es decir, un fotón de bombeo), en un par de fotones (es decir, un fotón de señal, y un fotón inactivo) de menor energía, de acuerdo con la ley de conservación de la energía y la ley de conservación del momento . Es un proceso importante en óptica cuántica , para la generación de pares de fotones entrelazados y de fotones individuales.

Esquema del proceso SPDC. Tenga en cuenta que las leyes de conservación se refieren a la energía y el impulso dentro del cristal.

Un esquema SPDC con salida Tipo I
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El video de un experimento que muestra fluctuaciones de vacío (en el anillo rojo) amplificado por SPDC (correspondiente a la imagen de arriba)

Se utiliza un cristal no lineal para dividir los haces de fotones en pares de fotones que, de acuerdo con la ley de conservación de la energía y la ley de conservación del momento , tienen energías y momentos combinados iguales a la energía y el momento del fotón original y la red cristalina. Debido a que el índice de refracción cambia con la frecuencia ( dispersión ), solo ciertos tripletes de frecuencias se emparejarán en fase para que se pueda lograr la conservación simultánea de energía y momento. El emparejamiento de fases se logra más comúnmente utilizando materiales no lineales birrefringentes, cuyo índice de refracción cambia con la polarización. Como resultado de esto, los diferentes tipos de SPDC se clasifican por las polarizaciones del fotón de entrada (la bomba) y los dos fotones de salida (señal e inactivo). Si la señal y los fotones inactivos comparten la misma polarización entre sí y con el fotón de la bomba destruido, se considera SPDC de tipo 0; [1] si la señal y los fotones inactivos comparten la misma polarización entre sí, pero son ortogonales a la polarización de la bomba, es SPDC de tipo I. Si la señal y los fotones inactivos tienen polarizaciones perpendiculares, se considera SPDC Tipo II. [2]

La eficiencia de conversión de SPDC es típicamente muy baja, con la mayor eficiencia obtenida en el orden de 4 pares por cada 10 6 fotones entrantes para PPLN en guías de ondas. [3] Sin embargo, si se detecta la mitad del par (la "señal") en cualquier momento, se sabe que su compañero (el "inactivo") está presente. La parte degenerada de la salida de un convertidor descendente de Tipo I es un vacío comprimido que contiene solo términos de números de fotones pares . La salida degenerada del convertidor descendente Tipo II es un vacío comprimido de dos modos.

Un esquema SPDC con salida Tipo II

En un diseño de aparato SPDC comúnmente utilizado, un rayo láser potente , denominado rayo de "bomba", se dirige a un cristal BBO (beta-borato de bario) o niobato de litio . La mayoría de los fotones continúan directamente a través del cristal. Sin embargo, ocasionalmente, algunos de los fotones experimentan una conversión descendente espontánea con correlación de polarización de Tipo II, y los pares de fotones correlacionados resultantes tienen trayectorias que están restringidas a lo largo de los bordes de dos conos , cuyos ejes están dispuestos simétricamente con respecto al haz de la bomba. Además, debido a la conservación del momento, los dos fotones siempre están ubicados simétricamente a lo largo de los bordes de los conos, en relación con el haz de bombeo. Es importante destacar que las trayectorias de los pares de fotones pueden existir simultáneamente en las dos líneas donde se cruzan los conos. Esto da como resultado un entrelazamiento de los pares de fotones cuyas polarizaciones son perpendiculares. [4] [5] : 205

Otro cristal es KDP ( dihidrogenofosfato de potasio ) que se utiliza principalmente en la conversión descendente de Tipo I, donde ambos fotones tienen la misma polarización. [6]

SPDC fue descrito ya en 1970 por David Klyshko y sus coautores, [7] y DC Burnham y DL Weinberg. [8] [9] Se aplicó por primera vez a experimentos relacionados con la coherencia por dos pares independientes de investigadores a finales de la década de 1980: Carroll Alley y Yanhua Shih, y Rupamanjari Ghosh y Leonard Mandel . [10] [11] Se encontró la dualidad entre emisiones incoherentes ( teorema de Van Cittert-Zernike ) y bifotones. [12]

SPDC permite la creación de campos ópticos que contienen (con una buena aproximación) un solo fotón. A partir de 2005, este es el mecanismo predominante para que un experimentador cree fotones individuales (también conocidos como estados de Fock ). [13] Los fotones individuales, así como los pares de fotones, se utilizan a menudo en experimentos y aplicaciones de información cuántica , como la criptografía cuántica y los experimentos de prueba de Bell .

SPDC se usa ampliamente para crear pares de fotones entrelazados con un alto grado de correlación espacial. [14] Estos pares se utilizan en imágenes fantasma , en las que la información se combina de dos detectores de luz: un detector convencional de varios píxeles que no ve el objeto y un detector de un solo píxel (cubo) que sí ve el objeto. .

El efecto recientemente observado de la emisión de dos fotones de semiconductores accionados eléctricamente se ha propuesto como base para fuentes más eficientes de pares de fotones entrelazados. [15] Aparte de los pares de fotones generados por SPDC, los fotones de un par emitido por semiconductores generalmente no son idénticos pero tienen energías diferentes. [16] Hasta hace poco, dentro de las limitaciones de la incertidumbre cuántica, se suponía que el par de fotones emitidos estaban coubicados: nacen de la misma ubicación. Sin embargo, un nuevo mecanismo no localizado para la producción de pares de fotones correlacionados en SPDC ha destacado que ocasionalmente los fotones individuales que constituyen el par pueden emitirse desde puntos separados espacialmente. [17] [18]

  1. ^ Lerch, Stefan; Bessire, Bänz; Bernhard, Christof; Feurer, Thomas; Stefanov, André (1 de abril de 2013). "Curva de ajuste de conversión descendente paramétrica espontánea tipo 0". Revista de la Sociedad Americana de Óptica B . 30 (4): 953–958. arXiv : 1404.1192 . Código bibliográfico : 2013JOSAB..30..953L . doi : 10.1364 / JOSAB.30.000953 . ISSN  0740-3224 .
  2. ^ Boyd, Robert (2008). Óptica no lineal, tercera edición . Nueva York: Academic Press. págs.  79 –88. ISBN 978-0-12-369470-6.
  3. ^ Bock, Matthias; Lenhard, Andreas; Chunnilall, Christopher; Becher, Christoph (17 de octubre de 2016). "Fuente de fotón único anunciada de alta eficiencia para longitudes de onda de telecomunicaciones basada en una guía de onda PPLN" . Optics Express . 24 (21): 23992–24001. Código Bib : 2016OExpr..2423992B . doi : 10.1364 / OE.24.023992 . ISSN  1094-4087 . PMID  27828232 .
  4. ^ P. Kwiat; et al. (1995). "Nueva fuente de alta intensidad de pares de fotones enredados por polarización" . Phys. Rev. Lett . 75 (24): 4337–4341. Código Bibliográfico : 1995PhRvL..75.4337K . doi : 10.1103 / PhysRevLett.75.4337 . PMID  10059884 .
  5. ^ Anton Zeilinger (12 de octubre de 2010). "La superfuente y cerrando la laguna de comunicación". Danza de los fotones: de Einstein a la teletransportación cuántica . Farrar, Straus y Giroux. ISBN 978-1-4299-6379-4.
  6. ^ Reck, MHA, Interferometría cuántica con multipuertos: fotones entrelazados en fibras ópticas (página 115) (PDF) , consultado el 16 de febrero de 2014
  7. ^ Klyshko DN, Penin AN, Polkovnikov BF, "Luminiscencia paramétrica y dispersión de luz por polaritones", JETP Lett. 11 , 05 (1970)
  8. ^ Burnham, DC; Weinberg, DL (1970). "Observación de la simultaneidad en la producción paramétrica de pares de fotones ópticos". Phys. Rev. Lett . 25 (2): 84. Bibcode : 1970PhRvL..25 ... 84B . doi : 10.1103 / physrevlett.25.84 .
  9. ^ D. Greenberger, M. Horne y A. Zeilinger, " Un teorema de Bell sin desigualdades para dos partículas, usando detectores eficientes " (2005), nota 18.
  10. ^ Y. Shih y C. Alley, en Proceedings of the 2nd Int'l Symposium on Foundations of QM in Light of New Technology , Namiki et al., Eds., Sociedad Física de Japón, Tokio, 1986.
  11. ^ Ghosh, R .; Mandel, L. (1987). "Observación de efectos no clásicos en la interferencia de dos fotones". Phys. Rev. Lett . 59 (17): 1903-1905. Código Bibliográfico : 1987PhRvL..59.1903G . doi : 10.1103 / physrevlett.59.1903 . PMID  10035364 .
  12. ^ http://pra.aps.org/abstract/PRA/v62/i4/e043816 - Dualidad entre coherencia parcial y entrelazamiento parcial
  13. ^ Zavatta, Alessandro; Viciani, Silvia; Bellini, Marco (2004). "Reconstrucción tomográfica del estado de Fock de fotón único mediante detección de homodinos de alta frecuencia". Physical Review A . 70 (5): 053821. arXiv : quant-ph / 0406090 . Código Bibliográfico : 2004PhRvA..70e3821Z . doi : 10.1103 / PhysRevA.70.053821 .
  14. ^ Walborn, SP; Monken, CH; Pádua, S .; Souto Ribeiro, PH (2010). "Correlaciones espaciales en conversión descendente paramétrica". Informes de física . 495 (4-5): 87-139. arXiv : 1010.1236 . Código Bibliográfico : 2010PhR ... 495 ... 87W . doi : 10.1016 / j.physrep.2010.06.003 . ISSN  0370-1573 .
  15. ^ A. Hayat, P. Ginzburg, M. Orenstein, Observación de la emisión de dos fotones de semiconductores , Fotón natural. 2 , 238 (2008)
  16. ^ Chluba, J .; Sunyaev, RA (2006). "Desintegración de dos fotones inducida del nivel 2s y la tasa de recombinación cosmológica de hidrógeno". Astronomía y Astrofísica . 446 (1): 39–42. arXiv : astro-ph / 0508144 . Bibcode : 2006A y A ... 446 ... 39C . doi : 10.1051 / 0004-6361: 20053988 .
  17. ^ Forbes, Kayn A .; Ford, Jack S .; Andrews, David L. (30 de marzo de 2017). "Generación no localizada de pares de fotones correlacionados en conversión descendente degenerada" (PDF) . Cartas de revisión física . 118 (13): 133602. Código Bibliográfico : 2017PhRvL.118m3602F . doi : 10.1103 / PhysRevLett.118.133602 . PMID  28409956 .
  18. ^ Forbes, Kayn A .; Ford, Jack S .; Jones, Garth A .; Andrews, David L. (23 de agosto de 2017). "Deslocalización cuántica en la generación de pares de fotones" (PDF) . Physical Review A . 96 (2): 023850. Código Bibliográfico : 2017PhRvA..96b3850F . doi : 10.1103 / PhysRevA.96.023850 .