WT-ESS-BBO - установка для изучения явления квантовой запутанности

Установка для изучения явления квантовой запутанности

Эта система основана на параметрическом процессе преобразования в кристалле BBO(β-Барий-Борат) с понижением частоты. Световой пучок лазера накачки падает на кристалл параметрического преобразования и при условии синхронности фаз генерируется поляризационно-сопряженные запутанная пара фотонов. Благодаря системе высокоточного позиционирования положения пространственного коллиматора  можно с легкостью направить сгенерированную пару запутанных фотонов в волокно. Другой конец волокна подключается к однофотонному детектору, который преобразует свет в электрические импульсы. Электрический импульс отправляется на счетчик зарегистрированных фотонов, и выводится на его экране для реализации измерений параметров запутанности.

Спонтанное параметрическое преобразование с понижением частоты

Спонтанное параметрическое преобразование с понижением частоты (SPDC) использует нелинейный эффект второго порядка нелинейных оптических кристаллов. После того как свет накачки с частотой ω_p проходит через нелинейно-оптическую среду, генерируются два запутанных фотона  с частотами ω_s и ω_i , которые обычно называют сигнальным (signal) и холостым  (Idler) соответственно.

ω_p = ω_s + ω_i     (1)

k_p = k_s + k_i        (2)

Описанный выше процесс сохранения импульса называется фазовым синхронизмом. Эффективность параметрического преобразования сильно зависит от степени фазового синхронизма. Процесс, при котором генерируется два фотона одинаковой частоты (ω _s = ω _i) называется удвоением частоты или процессом гармоники второго порядка.

В случае коллинеарного умножения частоты условие фазового синхронизма можно записать в виде скалярного выражения: k _2 ω =2 k _ω . Так как k =nω / c , то n₂·(2ω) · 2ω / c = 2n₁(ω) · ω / c , и тогда n₂(2ω ) = n₁(ω). В видимом и ближнем инфракрасном диапазонах большинство нелинейно-оптических кристаллов обладают нормальными дисперсионными свойствами, т. е. n₂(2ω) > n₁(ω), и условие фазового синхронизма не может быть выполнено.

В экспериментах фазовый синхронизм часто достигается за счет двулучепреломления кристаллов. Для одноосных и двуосных кристаллов, в отличии от трехосных кубических, оптические свойства анизотропны, то есть показатель преломления света с разными состояниями поляризации различен при прохождении через кристалл, поэтому мы можем использовать характеристики двулучепреломляющего кристалла для компенсации разницы коэффициентов преломления. Дисперсионная характеристика кристалла заставляет фотоны основной частоты и сгенерированные фотоны двойной частоты с различными поляризациями удовлетворять условию n₂(2ω) = n₁(ω), чтобы достичь фазового согласования.

В качестве примера на рис. 1 показаны слои показателя преломления света основной частоты (сплошная линия) и света двойной частоты (пунктирная линия) одноосного кристалла BBO ( n_o > n_e )_. Как показано на рисунке, поверхности показателей преломления n_e(2ω) и n_o(ω) пересекаются. Показателя преломления равны, что удовлетворяет условию фазового синхронизма. Направление вектора от центральной точки O до точки пересечения M является направлением фазового синхронизма, а угол Φ между оптической осью и OM является углом фазового синхронизма. Любое сагиттальное направление на конической поверхности кристалла, образованной вращением вокруг оптической оси с ОМ в качестве образующей, также может удовлетворять условию фазового синхронизма.

Рис. 1 Поверхностная диаграмма показателя преломления отрицательного одноосного кристалла

Эксперимент по измерению значения параметра Бэлла.

При генерации двух запутанных фотонов светом накачки, один из фотонов называется сигнальным, а другой холостым. В неравенстве Белла α представляет собой угол поворота поляризации  сигнального фотона, а β представляет собой угол поворота поляризации холостого фотона. Среди них α =-45^° , α⊥ ₌ 45^° , α′ =0° ^, α′⊥ = 90° ^, β = -22,5^° , β_⊥ =67,5^° , β′ =22,5^° , β′⊥ ₌ 112,5^o. N ( α , β ) представляют количество совпадений двух путей.

При измерении данных нам сначала нужно получить относительное положение 0°, потому что указанные выше параметры являются относительными углами поляризаторов. Теоретически, когда относительный угол между ними равен 0°, количество совпадений в это время имеет максимальное значение.