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标准量子光学过程中的意外延迟会产生光子对

发布时间:2024-12-01 14:49:44来源:

自 20 世纪 60 年代首次演示以来,自发参量下转换 (SPDC) 一直是许多量子光学实验的核心,这些实验检验了量子力学中物理的基本定律,并应用于量子模拟、量子密码学和量子计量学等应用。

SPDC 是指光子在穿过某些晶体等非线性物体后自发分裂成两个光子的过程。这个过程是非线性的,并且是瞬时的,两个输出光子(称为信号光子和闲置光子)与输入光子(泵浦光子)相比满足能量和动量守恒。SPDC 通常与专门设计的晶体一起使用,以创建纠缠光子对。

加拿大的一个研究小组发现,两个输出光子的检测之间存在延迟,该延迟取决于撞击晶体的入射光的强度。他们称之为“增益诱导群延迟”。

他们的研究发表在《物理评论快报》上,使用了理论和数值模拟,然后是他们自己实验的数据。延迟意味着需要精确定时光子的应用(如量子传感器和量子计算机)可能会受到影响。

时间延迟(也称为群延迟)是在理论上发现的,通过使用所谓的微扰理论研究 SPDC,微扰理论是物理学中的一种标准技术,其中复杂的数学能量算子通过仅包括其展开式的首项而得到简化,类似于函数的泰勒级数展开式。(费曼图计算严重依赖于微扰展开式。)这使得方程式更容易计算。

这里,展开式中的每个项代表一种不同的、越来越复杂的 SPDC 光子散射类型。最低阶是基本散射——一个泵浦光子散射成一对能量较低的光子。下一个主要项是两个产生的光子相互散射,总生三个光子作为输出。

假设信号场和闲置场最初都处于真空状态,因此该项为零。第三阶项描述了散射过程,其中两个泵浦光子各自产生一对向下转换的光子,随后两个后者光子被向上转换。

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