Conversão descendente paramétrica espontânea - Spontaneous parametric down-conversion

Esquema do processo SPDC. Observe que as leis de conservação dizem respeito à energia e ao momento dentro do cristal.

A conversão paramétrica espontânea (também conhecida como SPDC , fluorescência paramétrica ou espalhamento paramétrico ) é um processo óptico instantâneo não linear que converte um fóton de maior energia (ou seja, um fóton de bomba), em um par de fótons (ou seja, um fóton de sinal, e um fóton livre) de menor energia, de acordo com a lei de conservação de energia e a lei de conservação de momento . É um processo importante em óptica quântica , para a geração de pares de fótons emaranhados e de fótons individuais.

Processo básico

Um esquema SPDC com a saída Tipo I
O vídeo de um experimento mostrando flutuações de vácuo (no anel vermelho) amplificado por SPDC (correspondente à imagem acima)

Um cristal não linear é usado para dividir os feixes de fótons em pares de fótons que, de acordo com a lei da conservação da energia e a lei da conservação do momento , combinam energias e momentos iguais à energia e ao momento do fóton original e da rede cristalina. Como o índice de refração muda com a frequência ( dispersão ), apenas certos tripletos de frequências serão casados ​​em fase de modo que a energia simultânea e a conservação do momento possam ser alcançados. A correspondência de fase é mais comumente obtida usando materiais não lineares birrefringentes, cujo índice de refração muda com a polarização. Como resultado disso, diferentes tipos de SPDC são categorizados pelas polarizações do fóton de entrada (a bomba) e os dois fótons de saída (sinal e idler). Se o sinal e os fótons intermediários compartilham a mesma polarização entre si e com o fóton destruído da bomba, ele é considerado SPDC Tipo-0; se o sinal e os fótons intermediários compartilham a mesma polarização entre si, mas são ortogonais à polarização da bomba, é SPDC Tipo-I. Se o sinal e os fótons intermediários tiverem polarizações perpendiculares, será considerado SPDC Tipo II.

A eficiência de conversão de SPDC é tipicamente muito baixa, com a maior eficiência obtida na ordem de 4 pares por 10 6 fótons de entrada para PPLN em guias de onda. No entanto, se uma metade do par (o "sinal") for detectada a qualquer momento, então seu parceiro (o "usuário") estará presente. A porção degenerada da saída de um conversor descendente Tipo I é um vácuo comprimido que contém apenas termos de número de fótons pares . A saída degenerada do conversor descendente Tipo II é um vácuo comprimido de dois modos.

Exemplo

Um esquema SPDC com a saída Tipo II

Em um projeto de aparelho SPDC comumente usado, um forte feixe de laser , denominado feixe de "bomba", é direcionado a um cristal de BBO (beta-borato de bário) ou de niobato de lítio . A maioria dos fótons continua direto através do cristal. No entanto, ocasionalmente, alguns dos fótons sofrem conversão descendente espontânea com correlação de polarização do Tipo II, e os pares de fótons correlacionados resultantes têm trajetórias que são restringidas ao longo das bordas de dois cones , cujos eixos são dispostos simetricamente em relação ao feixe da bomba. Além disso, devido à conservação do momento, os dois fótons estão sempre localizados simetricamente ao longo das bordas dos cones, em relação ao feixe da bomba. É importante ressaltar que as trajetórias dos pares de fótons podem existir simultaneamente nas duas linhas onde os cones se cruzam. Isso resulta no emaranhamento dos pares de fótons cujas polarizações são perpendiculares.

Outro cristal é o KDP ( di-hidrogenofosfato de potássio ), que é mais usado na conversão descendente do Tipo I, em que ambos os fótons têm a mesma polarização.

História

O SPDC foi demonstrado já em 1967 por SE Harris , MK Oshman e RL Byer , bem como por D. Magde e H. Mahr. Foi aplicado pela primeira vez a experimentos relacionados à coerência por dois pares independentes de pesquisadores no final dos anos 1980: Carroll Alley e Yanhua Shih, e Rupamanjari Ghosh e Leonard Mandel . A dualidade entre incoerentes ( teorema de Van Cittert-Zernike ) e emissões de bifótons foi encontrada.

Formulários

O SPDC permite a criação de campos ópticos contendo (com uma boa aproximação) um único fóton. Em 2005, esse é o mecanismo predominante para um experimentador criar fótons únicos (também conhecidos como estados de Fock ). Os fótons individuais, bem como os pares de fótons, são freqüentemente usados ​​em experimentos de informação quântica e aplicações como criptografia quântica e experimentos de teste de Bell .

O SPDC é amplamente usado para criar pares de fótons emaranhados com um alto grau de correlação espacial. Esses pares são usados ​​em imagens fantasmas , em que as informações são combinadas a partir de dois detectores de luz: um detector multi-pixel convencional que não visualiza o objeto e um detector de pixel único (balde) que visualiza o objeto.

Alternativas

O efeito recentemente observado da emissão de dois fótons de semicondutores eletricamente acionados foi proposto como uma base para fontes mais eficientes de pares de fótons emaranhados. Além dos pares de fótons gerados pelo SPDC, os fótons de um par emitido por semicondutor geralmente não são idênticos, mas têm energias diferentes. Até recentemente, dentro das restrições da incerteza quântica, o par de fótons emitidos era considerado co-localizado: eles nascem do mesmo local. No entanto, um novo mecanismo não localizado para a produção de pares de fótons correlacionados em SPDC destacou que ocasionalmente os fótons individuais que constituem o par podem ser emitidos de pontos separados espacialmente.

Referências