Ефект Хонга–Оу–Мендела

Ефект Хонга–Оу–Мендела- це ефект двохфотоної інтерференції в квантовій оптиці, який був продемонстрований в 1987 році трьома фізиками з університету Рочестера: Чунг Хонгом (홍정기), Зе Ю Оу (区 泽宇) та ^[en]. Ефект виникає, коли дві однакові однофотонні хвилі надходять у дільник променя 1:1, по одній у кожнний вхідний порт. Коли перекриття фотонів у часі на дільнику променя є ідеальним, два фотони завжди будуть виходити з дільника променя разом в одному виході. Фотони мають шанс 50:50 вийти з будь-якого вихідного порта. Якщо вони стануть більш розрізнюваними, ймовірність їхнього виходи на різні детектори зросте. Таким чином, інтерферометр може точно вимірювати пропускну здатність, довжину шляху та час. Оскільки цей ефект покладається на існування фотонів, його не можна повністю пояснити класичною оптикою.

Ефект забезпечує один із основних фізичних механізмів логічних вентилів в лінійних оптичних квантових обчисленнях (інший механізм — це дія вимірювання).

Квантово-механічний опис

Фізичний опис

Коли фотон потрапляє в дільник променя, існує дві можливості: він буде або відбитим, або переданим. Відносні ймовірності пропускання та відбиття визначаються відбивною здатністю дільника променя. Тут ми припускаємо дільник променя 1:1, в якому фотон має рівну ймовірність відбиття та передачі.

Далі розглянемо два фотони, по одному в кожній вхідній моді (вхідному порті) дільника променя 1:1. Існує чотири можливості поведінки фотонів:

1. Фотон, що надходить зверху, відбивається, а фотон, що надходить знизу, передається.
2. Передаються обидва фотони.
3. Обидва фотони відбиваються.
4. Фотон, що надходить зверху, передається, а фотон, що надходить знизу, відбивається.

Тепер ми припускаємо, що два фотони однакові за своїми фізичними властивостями (тобто поляризація, просторово-часова структура мод та частота).

Чотири можливості додавання рівнів амплітуди для двофотонного відбиття та пропускання.

Оскільки стан роздільника променя не «фіксує», яка з чотирьох можливостей насправді трапляється, правила Фейнмана диктують, що ми повинні скласти всі чотири можливості на рівні амплітуд ймовірності. Крім того, відбиття від нижньої сторони дільника променя вводить відносний зсув фази π, що відповідає коефіцієнту -1 в асоційованому члені в суперпозиції. Цього вимагає оборотність (або унітарність) квантової еволюції дільника променя. Оскільки два фотони однакові, ми не можемо розрізнити вихідні стани можливостей 2 і 3, а їх відносний знак мінус гарантує, що ці два доданки скасуються. Це можна трактувати як руйнівну інтерференцію.

Математичний опис

Розглянемо дві оптичні моди a і b , які несуть оператори народження та знищення ${\displaystyle {\hat {a}}}$, ${\displaystyle {\hat {a}}^{\dagger }}$, та ${\displaystyle {\hat {b}}}$, ${\displaystyle {\hat {b}}^{\dagger }}$. Два однакові фотони в різних модах можуть бути описані за допомогою станів Фока

${\displaystyle {\hat {a}}^{\dagger }{\hat {b}}^{\dagger }|0,0\rangle _{ab}=|1,1\rangle _{ab},}$

де ${\displaystyle |1\rangle }$ є однофотонним станом. Коли дві моди a і b змішані в дільнику променя 1:1, вони перетворюються на нові моди c і d, і оператори народження та знищення відповідно трансформуються:

${\displaystyle {\hat {a}}^{\dagger }\to {\frac {{\hat {c}}^{\dagger }+{\hat {d}}^{\dagger }}{\sqrt {2}}}\quad {\text{та}}\quad {\hat {b}}^{\dagger }\to {\frac {{\hat {c}}^{\dagger }-{\hat {d}}^{\dagger }}{\sqrt {2}}}.}$

Знак мінуса з'являється, оскільки дільник променя є унітарним перетворенням. Це можна зрозуміти найбільш чітко, коли двомодове перетворення дільника променя описано у формі матриці:

${\displaystyle {\begin{pmatrix}{\hat {a}}\\{\hat {b}}\end{pmatrix}}\to {\frac {1}{\sqrt {2}}}{\begin{pmatrix}1&1\\1&-1\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}{\hat {c}}\\{\hat {d}}\end{pmatrix}}.}$

Унітарність перетворення тепер означає унітарність матриці. Фізично це перетворення дільника променя означає, що відбиття від однієї поверхні викликає відносний зсув фази π, що відповідає коефіцієнту -1, щодо відбиття від іншої сторони дільника променя (див. фізичний опис вище). Подібні перетворення справедливі для операторів анігіляції.

Коли два фотони потрапляють в дільник променя, по одному з кожного боку, стан двох мод стає

${\displaystyle |1,1\rangle _{ab}={\hat {a}}^{\dagger }{\hat {b}}^{\dagger }|0,0\rangle _{ab}\to {\frac {1}{2}}\left({\hat {c}}^{\dagger }+{\hat {d}}^{\dagger }\right)\left({\hat {c}}^{\dagger }-{\hat {d}}^{\dagger }\right)|0,0\rangle _{cd}={\frac {1}{2}}\left({\hat {c}}^{\dagger 2}-{\hat {d}}^{\dagger 2}\right)|0,0\rangle _{cd}={\frac {|2,0\rangle _{cd}-|0,2\rangle _{cd}}{\sqrt {2}}}.}$

Так як комутатор двох операторів створення ${\displaystyle {\hat {c}}^{\dagger }}$ і ${\displaystyle {\hat {d}}^{\dagger }}$ зникає, в суперпозиції зберігаються терми є ${\displaystyle {\hat {c}}^{\dagger 2}}$ і ${\displaystyle {\hat {d}}^{\dagger 2}}$. Отже, коли два однакові фотони потрапляють у дільник променя 1:1, вони завжди виходять із дільника променя в тій же (але випадковій) вихідній моді.

Експериментальні свідчення

«Провал ХОМ» випадкового підрахунку в детекторах проти відносної затримки між однофотонними хвильовими пакетами

Зазвичай ефект Хонга–Оу–Мендела спостерігається за допомогою двох фотоприймачів, що контролюють вихідні моди (порти) дільника променя. Частота збігів детекторів впаде до нуля, коли однакові вхідні фотони ідеально збігаються в часі. Це називається провал Хонга–Оу–Мендела або провал ХОМ. Кількість збігів досягає мінімуму, позначеного пунктиром. Мінімум падає до нуля, коли два фотони абсолютно однакові за всіма властивостями. Коли ці два фотони можна повністю розрізнити, падіння повністю зникає. Точна форма провалу безпосередньо пов'язана з спектральною густиною однофотонного хвильового пакета і, отже, визначається фізичним процесом джерела. Загальними формами провалу ХОМ є Гауссіана та розподіл Коші — Лоренца.

Класичний аналог ефекту ХОМ виникає, коли два когерентних стани (наприклад, лазерні промені) впливають на дільник пучка. Якщо стани мають різну різницю фаз, що швидко змінюється (тобто швидше, ніж час інтегрування детекторів), тоді спостерігатиметься падіння у швидкості збігів, що дорівнює половині середнього числа збігів при великих затримках. (Тим не менше, його можна додатково зменшити за допомогою належного розрізнення рівня спрацьовування, що застосовується до сигналу.) Отже, щоб довести, що руйнівна інтерференція є двофотонною квантовою інтерференцією, а не класичним ефектом, провал ХОМ має бути меншим ніж половина.

Ефект Хонга–Оу–Мендела можна безпосередньо спостерігати за допомогою однофотонних чутливих посилених камер. Такі камери мають можливість реєструвати поодинокі фотони як яскраві плями, які чітко відрізняються від малошумного фону.

Безпосереднє спостереження ефекту ХОМ за допомогою посиленої камери. Співпалі пари фотонів з'являються разом як яскраві плями в одному з вихідних портів дільника променя (ліва або права панель).

На малюнку вище пари фотонів зареєстровані в середині провалу Хонга-Оу-Мандела. У більшості випадків вони виглядають згрупованими по парах зліва чи справа, що відповідає двом вихідним портам роздільника променя. Іноді трапляється випадкові події співпадіння появи фотонів на різних панелях, що виявляють залишкову відмінність між фотонами.

Застосування та експерименти

Ефект Хонга–Оу–Мендела може бути використаний для перевірки ступеня нерозрізнення двох вхідних фотонів. Коли провал ХОМ доходить до нульового числа випадкових збігів, вхідні фотони абсолютно неможливо розрізнити, тоді як якщо провалу немає, фотони розрізнювані. У 2002 р. Ефект Хонга–Оу–Мендела був використаний для демонстрації чистоти твердотільного джерела одиничних фотонів шляхом подачі двох послідовних фотонів від джерела в дільник променя 1:1. інтерферометрична видимість V провалу пов'язана зі станами двох фотонів ${\displaystyle \rho _{a}}$ і ${\displaystyle \rho _{b}}$ як

${\displaystyle V=\operatorname {Tr} (\rho _{a}\rho _{b}).}$

Якщо ${\displaystyle \rho _{a}=\rho _{b}=\rho }$, тоді видимість дорівнює чистоті ${\displaystyle P=\operatorname {Tr} (\rho ^{2})}$ фотонів. У 2006 році був проведений експеримент, в якому два атоми незалежно випромінювали по одному фотону кожен. Згодом ці фотони створили ефект Хонга–Оу–Мендела.

Багатомодова інтерференція Хонга–Оу–Мендела була вивчена в 2003 році.

Ефект Хонга–Оу–Мендела також лежить в основі основного механізму заплутування в лінійному оптичному квантові обчисленні та двофотонному квантовому стані ${\displaystyle |2,0\rangle +|0,2\rangle }$ що призводить до провалу ХОМ, — це найпростіший нетривіальний стан у класі, який називається стани NOON.

У 2015 році ефект Хонга–Оу–Мендела для фотонів спостерігався безпосередньо з просторовим розділенням за допомогою камери sCMOS з підсилювачем зображення. Також у 2015 році спостерігався ефект з атомами гелію-4.

Ефект ХОМ може бути використаний для вимірювання біфотонної хвильової функції в результаті спонтанного чотирихвильового змішування процесу.

У 2016 році перетворювач частоти для фотонів продемонстрував ефект Хонга–Оу–Мендела за допомогою різнокольорових фотонів.

У 2018 році інтерференція ХОМ була використана для демонстрації високоточної квантової інтерференції між топологічно захищеними станами на фотонному чіпі. Топологічна фотоніка має внутрішньо високу когерентність і, на відміну від інших підходів до побудування квантового процесора, не вимагає сильних магнітних полів і працює при кімнатній температурі.

Трифотонна інтерференція

В експериментах виявлено ефект трифотонної інтерференції.

Див. також

• ^[en]
• ^[en]
• ^[en]

Примітки

1. C. K. Hong; Z. Y. Ou & L. Mandel (1987). Measurement of subpicosecond time intervals between two photons by interference. Phys. Rev. Lett. 59 (18): 2044—2046. Bibcode:1987PhRvL..59.2044H. doi:10.1103/PhysRevLett.59.2044. PMID 10035403.
2. Knill, E.; Laflamme, R. & Milburn, G. J. (2001). A scheme for efficient quantum computation with linear optics. Nature. 409 (6816): 46—52. Bibcode:2001Natur.409...46K. doi:10.1038/35051009. PMID 11343107. S2CID 4362012.
3. M. Jachura; R. Chrapkiewicz (2015). Shot-by-shot imaging of Hong–Ou–Mandel interference with an intensified sCMOS camera. Opt. Lett. 40 (7): 1540—1543. arXiv:1502.07917. Bibcode:2015OptL...40.1540J. doi:10.1364/ol.40.001540. PMID 25831379. S2CID 11370777.
4. C. Santori; D. Fattal; J. Vucković; G. S. Solomon & Y. Yamamoto (2002). Indistinguishable photons from a single-photon device. Nature. 419 (6907): 594—597. Bibcode:2002Natur.419..594S. doi:10.1038/nature01086. PMID 12374958. S2CID 205209539.
5. Jachura, Michał; Chrapkiewicz, Radosław (2017). Hong-Ou-Mandel Interference. arXiv:1711.00080 [quant-ph].
6. J. Beugnon; M. P. A. Jones; J. Dingjan; B. Darquié; G. Messin; A. Browaeys & P. Grangier (2006). Quantum interference between two single photons emitted by independently trapped atoms. Nature. 440 (7085): 779—782. arXiv:quant-ph/0610149. Bibcode:2006Natur.440..779B. doi:10.1038/nature04628. PMID 16598253. S2CID 4417686.
7. Walborn, S. P.; Oliveira, A. N.; Pádua, S.; Monken, C. H. (8 квітня 2003). Multimode Hong-Ou-Mandel Interference. Phys. Rev. Lett. 90 (14): 143601. arXiv:quant-ph/0212017. Bibcode:2003PhRvL..90n3601W. doi:10.1103/PhysRevLett.90.143601. PMID 12731915. S2CID 1833946.
8. R. Lopes; A. Imanaliev; A. Aspect; M. Cheneau; D. Boiron & C. I. Westbrook (2015). Atomic Hong–Ou–Mandel experiment. Nature. 520 (7545): 66—68. arXiv:1501.03065. Bibcode:2015Natur.520...66L. doi:10.1038/nature14331. PMID 25832404. S2CID 205243195.
9. P. Chen; C. Shu; X. Guo; M. M. T. Loy & S. Du (2015). (PDF). Phys. Rev. Lett. 114 (1): 010401. Bibcode:2015PhRvL.114a0401C. doi:10.1103/PhysRevLett.114.010401. PMID 25615453. S2CID 119225063. Архів оригіналу (PDF) за 17 квітня 2021. Процитовано 17 квітня 2021.
10. T. Kobayashi; R. Ikuta; S. Yasui; S. Miki; T. Yamashita; H. Terai; T. Yamamoto; M. Koashi & N. Imoto (2016). Frequency-domain Hong–Ou–Mandel interference. Nature Photonics. 10 (7): 441—444. arXiv:1601.00739. Bibcode:2016NaPho..10..441K. doi:10.1038/nphoton.2016.74. S2CID 118519780.
11. Jean-Luc Tambasco; Giacomo Corrielli; Robert J. Chapman; Andrea Crespi; Oded Zilberberg; Roberto Osellame; Alberto Peruzzo (2018). Quantum interference of topological states of light. Science Advances. American Association for the Advancement of Science. 4 (9). eaat3187. arXiv:1904.10612. Bibcode:2018SciA....4.3187T. doi:10.1126/sciadv.aat3187. PMC 6140626. PMID 30225365.
12. Sewell, Robert (10 квітня 2017). . Physics (амер.). 10. doi:10.1103/physics.10.38. Архів оригіналу за 17 квітня 2021. Процитовано 17 квітня 2021.
13. Agne, Sascha; Kauten, Thomas; Jin, Jeongwan; Meyer-Scott, Evan; Salvail, Jeff Z.; Hamel, Deny R.; Resch, Kevin J.; Weihs, Gregor; Jennewein, Thomas (10 квітня 2017). Observation of Genuine Three-Photon Interference. Physical Review Letters. 118 (15): 153602. arXiv:1609.07508. Bibcode:2017PhRvL.118o3602A. doi:10.1103/PhysRevLett.118.153602. PMID 28452530. S2CID 206289649.
14. Menssen, Adrian J.; Jones, Alex E.; Metcalf, Benjamin J.; Tichy, Malte C.; ; Kolthammer, W. Steven; Walmsley, Ian A. (10 квітня 2017). Distinguishability and Many-Particle Interference. Physical Review Letters. 118 (15): 153603. arXiv:1609.09804. Bibcode:2017PhRvL.118o3603M. doi:10.1103/PhysRevLett.118.153603. PMID 28452506. S2CID 206289658.

Посилання

• Лекції з квантових обчислень: Інтерференція (2 з 6) [ 19 січня 2021 у Wayback Machine.] — відео лекції Девіда Дойча, відео відповідного експерименту (один фотон у точному напрямку розщеплюється, дзеркально відображається і з'єднується у другому виводі дільника у точний напрямок).
• Can Two-Photon Interference be Considered the Interference of Two Photons? [ 18 квітня 2021 у Wayback Machine.] — Discussion of the interpretation of the HOM interferometer results.
• Анімація YouTube, що показує ефект ХОМ у напівпровідниковому пристрої. [ 17 квітня 2021 у Wayback Machine.]
• Відео YouTube, що демонструє експериментальні результати ефекту ХОМ, що спостерігаються на камері. [ 17 квітня 2021 у Wayback Machine.]