Система экспериментов по обучению BBO с запутанным источником

Эта система основана на процессе преобразования параметров кристалла BBO. Сфокусированный лазер накачки падает на кристалл параметрического преобразования, и в условиях фазового синхронизма генерируются связанные с поляризацией запутанные пары фотонов. Путем точной настройки положения пространственно-волоконного коллиматора в волокно подается запутанный параметрический свет. Другой конец волокна подается в детектор одиночных фотонов, который преобразует свет в электрические импульсы. Электрический импульс отправляется на измеритель совпадений, и выводится счетчик совпадений для измерения запутанности.

1.1  Спонтанное параметрическое преобразование с понижением частоты

Спонтанное параметрическое преобразование с понижением частоты (SPDC) использует нелинейный эффект второго порядка нелинейных кристаллов. После прохождения света накачки ( Pump) с частотой ω _p через нелинейную оптическую среду генерируются два других низкочастотных света с частотами ω _s и ω _i , которые обычно называются сигнальным светом ( Signal) и холостым светом (Idler) соответственно. . ), весь процесс спонтанного преобразования параметров с понижением частоты удовлетворяет законам сохранения энергии (уравнение 1) и импульса (уравнение 2), то есть

Описанный выше процесс сохранения импульса мы также называем фазовым синхронизмом. Эффективность преобразования параметров сильно зависит от степени фазового синхронизма. В частности, мы называем процесс ω _s = ω _i удвоением частоты или процессом второй гармоники, то есть фотоны с частотой 2 ω (удвоенная частота света) проходят через нелинейный оптический кристалл, создавая частоту ω (фундаментальная частота света).Пары фотонов.

В случае коллинеарного удвоения частоты условие фазового синхронизма можно записать в виде скалярной формулы: k _2 ω =2 k _ω . Поскольку k=nω / c , то n ₂ (2 ω ) · 2 ω / c = 2 n ₁ ( ω ) ω / c , и тогда n ₂ (2 ω ) = n ₁ ( ω ). В видимом и ближнем инфракрасном диапазонах большинство нелинейно-оптических кристаллов обладают нормальными дисперсионными свойствами, т. е. n ₂ (2 ω ) > n ₁ ( ω ), и условие фазового синхронизма не может быть выполнено. 

В экспериментах фазовый синхронизм часто достигается с помощью свойств двулучепреломления кристаллов. Для одноосных и двухосных кристаллов, отличных от кубической кристаллической системы, их оптические свойства анизотропны, то есть показатель преломления света с разными состояниями поляризации при прохождении в кристалле различен. Таким образом, мы можем использовать характеристики двулучепреломления кристалл для компенсации его. Дисперсионные характеристики позволяют основной частоте и фотонам с удвоенной частотой с различными поляризациями удовлетворять n ₂ (2 ω ) = n ₁ ( ω ), тем самым достигая цели фазового синхронизма.

На примере отрицательного одноосного кристалла BBO ( n _o > n _e ) на рисунке 1 показана поверхность показателя преломления света его основной частоты (сплошная линия) и света удвоенной частоты (пунктирная линия). Как показано на рисунке, поверхности показателей преломления n _e (2 ω ) и n _o ( ω ) пересекаются, и показатель преломления обоих равен, что удовлетворяет условию фазового синхронизма. Направление вектора от центрального начала координат О до точки пересечения М является направлением фазового синхронизма, а угол Ф между оптической осью и ОМ является углом фазового синхронизма. Любое векторное радиальное направление на конической поверхности, образованное вращением вокруг оптической оси с OM в качестве образующей, также может удовлетворять условию фазового синхронизма .

Рисунок 1. Диаграмма поверхности отрицательного одноосного показателя преломления кристалла.

Для упомянутого выше отрицательного одноосного кристалла BBO условие фазового синхронизма требует, чтобы поляризация удвоенного по частоте света принималась в состоянии поляризации с меньшим показателем преломления, то есть необыкновенного света ( е свет). Есть два варианта поляризации света основной частоты: два Свет основной частоты принимает одну и ту же поляризацию ( o свет), и процесс преобразования параметров имеет вид e → o + o ; или два света основной частоты принимают взаимно перпендикулярные состояния поляризации. ( olight и elight ), а процесс преобразования параметров — e → e + o . Мы называем эти два разных метода фазового синхронизма согласованием типа I и типа II соответственно. В этом эксперименте процесс преобразования параметров с понижением частоты основан на фазовом согласовании типа I.

1.2  Измерение неравенства Белла

Мы используем неравенство CHSH неравенства Белла для проверки результатов наших измерений. Для классического случая максимальное значение S в неравенстве Белла равно 2. Для квантового случая S больше 2. Конкретное выражение выглядит следующим образом:

В процессе преобразования параметров индикатор насоса генерирует два индикатора: один представляет собой сигнальный индикатор, а другой — индикатор холостого хода. В неравенстве Белла α представляет угол поворота поляризатора в сигнальном свету, а β представляет угол поворота поляризатора в холостой световой траектории. Среди них α = -45 ^o , α _⊥ = 45 ^o , α ' = 0 ^o , α ' _⊥ = 90 ^o , β = -22,5 ^o , β _⊥ = 67,5 ^o , β' = 22,5 ^o , β' _⊥ = 112,5 ^o , N ( α , β ) представляют собой количество совпадений двух путей.  

При измерении данных нам сначала необходимо получить относительное положение 0 °, поскольку все вышеуказанные параметры представляют собой относительные углы поляризатора. Теоретически, когда относительный угол между ними равен 0°, количество совпадений имеет максимальное значение.