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量子光學(xué)教學(xué)套件

原創(chuàng) discovery Thorlabs索雷博 2023-06-28 12:03 發(fā)表于上海

Thorlabs新推出EDU-QOP1(/M)量子光學(xué)教學(xué)套件可以使用，讓學(xué)生可以在開放、易用的環(huán)境中研究光的量子性質(zhì)紮實。從生成光子對的type-I BBO晶體到*的單光子探測器效高化，整個實(shí)驗(yàn)裝置采用自由空間光路，讓學(xué)生清楚地看到從哪里測量投入力度，在何時測量創造。這個套件特別重要的一個方面是便于理解什么是非經(jīng)典光源。

套件包含完成量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)需要的所有組件貢獻法治，但光學(xué)平臺或面包板除外設備製造。對于公制產(chǎn)品，我們推薦使用B60120AX面包板和AV5/M隔振支腳攻堅克難。

基礎(chǔ)理論

光的量子描述光在量子力學(xué)通過電磁場的量子化激發(fā)進(jìn)行描述管理，而z,u,i小可能的激發(fā)為單光子(量子數(shù)n = 1)。鸽p向互動？藨B(tài)是具有明確光子數(shù)的非經(jīng)典狀態(tài)效率和安，而經(jīng)典光則沒有明確的光子數(shù)。

钙放?？藨B(tài)深入開展、相干態(tài)和熱態(tài)的光子數(shù)分布 此處三種狀態(tài)的平均光子數(shù)n =5

激光處于某種相干態(tài)。對于給定的平均光子數(shù)等形式，實(shí)際光子數(shù)遵循泊松分布技術的開發。衰減激光只能減小平均光子數(shù)，但統(tǒng)計仍呈現(xiàn)泊松分布飛躍。因此服務品質，衰減的激光無法作為量子實(shí)驗(yàn)的單光子源。另外集聚效應，LED或黑體輻射等其它經(jīng)典光源通過熱態(tài)描述，其光子數(shù)分布方差還大于激光重要手段。

單光子的產(chǎn)生單光子是指光子數(shù)n = 1的富又v？藨B(tài)。產(chǎn)生單光子的方法有很多像一棵樹，但目前多數(shù)基于裝置簡單且工作穩(wěn)定的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換(SPDC)過程過程中，從一個泵浦光子產(chǎn)生兩個光子。它們幾乎同時產(chǎn)生能運用，通過一個光子可預(yù)示另一個光子的存在達到，從而對單光子進(jìn)行測量智能設備。這也是SPDC光源被稱為宣布式單光子源的原因。

EDU-QOP1(/M)套件也使用SPDC單光子源蓬勃發展，通過BBO晶體將一個405 nm泵浦光子變成兩個810 nm光子特點。光子對之間有6°夾角。為了簡化不可見光的對準(zhǔn)過程重要性，我們用錐透鏡把對準(zhǔn)激光變成一個角度相同的光錐又進了一步。以可見光作為參考便于對準(zhǔn)單光子探測器。

符合計數(shù)探測三個SPDMA單光子探測器之間的符合計數(shù)通過一個教學(xué)級時間標(biāo)記器分析多元化服務體系。如下圖所示規劃，對于T通道的每個事件，它會檢查A或B通道在前后幾納秒的時間窗口內(nèi)是否發(fā)生了另一個事件深度。如果發(fā)生帶動擴大，T&A或T&B之間就有一次符合計數(shù)。如果三個探測器在同一時間窗口內(nèi)記錄到光子就有一次三重符合計數(shù)開拓創新。

三個單光子計數(shù)通道

符合計數(shù)的定義

對于關(guān)聯(lián)光子對光源持續發展，在兩路之間測量的符合計數(shù)率經(jīng)常大于非關(guān)聯(lián)光源的情況。在分三路探測的GRA實(shí)驗(yàn)中綜合運用，因?yàn)樾际焦庾訉o法同時在三個探測器上觸發(fā)計數(shù)事件供給，三重符合計數(shù)率接近于零。

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

1.衰減激光HBT (Hanbury-Brown-Twiss)實(shí)驗(yàn)使用衰減很大的激光作為光源實事求是。光均勻分束后分別由A和B兩個探測器接收進行探討，然后分析它們的符合計數(shù)率。

學(xué)生將認(rèn)識到衰減的激光不是單光子源服務水平。有人可能把激光看成一連串發(fā)射的光子最新，通過衰減就能將其變得像一個個單獨(dú)飛行的點(diǎn)。但這種觀點(diǎn)忽視了到達(dá)探測器的光子要遵循某種基本統(tǒng)計的事實(shí)規則製定。衰減激光不會改變統(tǒng)計規(guī)律製造業，無法使相干光源變成非經(jīng)典光源。

2.光子對光源  在BBO晶體中產(chǎn)生的光子對分別由T和A兩個探測器接收關規定，通過符合計數(shù)表征這種光源的非經(jīng)典特性發展基礎。學(xué)生將理解BBO晶體產(chǎn)生光子對的同時性。因?yàn)橐粚庾訋缀跬瑫r到達(dá)兩個探測器建強保護，符合計數(shù)率遠(yuǎn)大于隨機(jī)光源或熱光源的期望值同期。

3.在光子對光源的一路中重做HBT實(shí)驗(yàn)通過阻擋一路光，學(xué)生將看到在只測量另一路光時使命責任，光仍然表現(xiàn)出經(jīng)典行為效果。因?yàn)椴⒉皇窃诋a(chǎn)生光子對后兩路就各有一個單光子源。如果只考慮其中一路合規意識，光子數(shù)仍遵循經(jīng)典統(tǒng)計密度增加。

4.使用光子對光源重做HBT實(shí)驗(yàn)使用三個探測器將實(shí)驗(yàn)3擴(kuò)展為GRA (Grangier-Roger-Aspect)實(shí)驗(yàn)有效性，通過T&A、T&B以及三重符合計數(shù)率表征光子對的狀態(tài)機遇與挑戰。學(xué)生將看到在同時測量光子對的兩個光子時廣泛關註，一路中的光將表現(xiàn)出非經(jīng)典行為。

5.使用熒光重做GRA實(shí)驗(yàn)學(xué)生將看到光的非經(jīng)典性質(zhì)來自通過BBO晶體產(chǎn)生的光子對提單產，而不是三個探測器的配置深入實施。即使使用相同的探測器配置測量熒光也不會產(chǎn)生非經(jīng)典光源的結(jié)果。

6.馬呂斯定律在探測器B前面加一個旋轉(zhuǎn)線偏振片重做GRA實(shí)驗(yàn)發展空間，分析T&B的符合計數(shù)率和偏振片角度的相關(guān)性效果，讓學(xué)生理解單光子的偏振性質(zhì)。

在經(jīng)典波動理論中足了準備，偏振片將入射光分成平行和垂直的兩個分量合作關系。一個被吸收，一個被透過深刻內涵。但對于不可分的單光子傳遞，偏振片有什么用呢？在量子光學(xué)中深入闡釋，光子的偏振態(tài)是不同基態(tài)的疊加相關性，而經(jīng)典波的透過率將由概率取代。如果光子被透過物聯與互聯，它保留能量并得到由偏振片設(shè)定的偏振態(tài)最深厚的底氣。另一種情況就是光子被吸收。

7.單光子邁克爾遜干涉儀在探測器B前面加一個邁克爾遜干涉儀裝置振奮起來，移動其中一個反射鏡并監(jiān)測T&B的符合計數(shù)率品質。學(xué)生通過這個實(shí)驗(yàn)可看到單光子也能表現(xiàn)出干涉行為。

光子并非只通過一條路徑卻不攜帶另一條路徑的信息而無法與自己干涉深入各系統。使用宣布式單光子源就能觀測到干涉條紋解決問題。這個裝置的平均光子數(shù)約為0.02，因此能排除兩個光子相互干涉的情況作用。

8.量子擦除sh,ou先在邁克爾遜干涉儀的兩臂中各加入一個偏振片相互配合，分別觀測兩偏振片在平行和正交時的干涉結(jié)果。然后在探測器B前加一個45°偏振片重新觀測著力增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明相對簡便，雖然兩偏振片正交時會產(chǎn)生路徑信息并導(dǎo)致干涉消失，但在干涉儀的輸出端加一個45°偏振片就能擦除路徑信息并恢復(fù)干涉流程。

在未擦除路徑信息前，有人可能以為光子須決定走干涉儀的哪一條路徑勃勃生機，但這是一種誤解助力各業。從原理上講極致用戶體驗，光子是各種狀態(tài)的疊加，而且每一個狀態(tài)只有在被測量后才能出現(xiàn)應用。沒有測量建議，光子就不需決定走哪一條路徑。

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