Zeitliche Verzögerung zwischen verschränkten Photonenpaaren

Bei der Erzeugung verschränkter Photonen mittels Spontaneous Parametric Down-Conversion SPDC wird üblicherweise davon ausgegangen, dass die beiden Photonen gleichzeitig erzeugt werden. Ich konnte keine Veröffentlichungen finden, die diese Annahme diskutieren, noch experimentelle Veröffentlichungen, in denen die Verzögerung gemessen wurde.

Ich suche (A) Papiere, die das Obige diskutieren, oder (B) das Obige messen. Im Folgenden wird beschrieben, was wir im Labor tun.

Unser Aufbau ist Typ I SPDC mit einem 90-mW-CW-Diodenlaser, der bei 402 nm arbeitet, mit zwei BBO-Stücken mit den optischen Achsen bei 90 Grad. Wir verwenden hocheffiziente Interferenzfilter, um Licht zu entfernen, das von der degenerierten Wellenlänge entfernt ist, die 804 nm beträgt.

In unserem Experiment stellen wir fest, dass die Quanteneffizienz (Paarkorrelation) sehr schnell zunimmt, wenn das zeitliche Binning von einigen hundert Pikosekunden auf einige Nanosekunden erhöht wird und bei etwa 10 ns abflacht. Die entsprechende Poisson-Statistik für "zufällige Paare" sollte linear mit der Zunahme der zeitlichen Einteilung wachsen, und unsere Experimente mit nicht verschränktem Licht stimmen mit den Schätzungen der Poisson-Statistik überein.

Beispiel: Bei 135.000 Zählungen pro Sekunde auf Detektor 1 und 146.000 Zählungen pro Sekunde auf Detektor 2 beträgt die Poisson-Statistik für die Paarerkennung 95 Paare pro Sekunde für 10 ns Binning, aber die tatsächliche Paarrate beträgt 37.000 Paare pro Sekunde, das heißt eine Quanteneffizienz von über 26%.

Die Quanteneffizienz nimmt ab, wenn das zeitliche Binning reduziert wird; bei 240 ps beträgt die Quanteneffizienz etwa 2 %.

Unser Timer-Counter taktet mit 81 ps pro Tick; 81 ps Zeit entsprechen einer Entfernung von (300 um/ps x 81 ps) = 24,3 mm oder etwa einem Zoll. 10 ns entsprechen 3 Metern oder etwa 10 Fuß. Die Einzelphotonendetektoren sind symmetrisch angeordnet und haben im Wesentlichen identische Abstände zum BBO-Kristall, etwa 1200 mm.

Wir führen derzeit einige zusätzliche Experimente durch und sammeln Daten für eine Reihe zeitlicher Bin-Dauern, damit wir die Anstiegsrate mit zunehmender Zeit darstellen können.

Was ist zeitliches Binning?
Was ist die Bandbreite des anfänglichen Lasers? Eine Ereignisdauer von 10 ns würde einer Bandbreite von 100 MHz entsprechen, was wahrscheinlich größer ist als das, was Sie ausführen, aber das ist eine mögliche Quelle - Ihr Treiber ist niemals vollständig monochromatisch oder vollständig kohärent.
@Holger Zeitliches Binning war ziemlich einfach zu googeln.
"Temporal Binning" ist die Sortierung von Ereignissen nach Zeitblöcken. In unserem Fall wird die minimale Bin-Größe durch einen 81-ps-Takt bestimmt. Die Photonenerfassung durch beide Detektoren während des gleichen zeitlichen Bins wird als Erfassung eines Photonenpaars gezählt.
@Emilio Pisanty: Die gemessene Bandbreite des Diodenlasers beträgt etwa 1 nm; es gibt zwei sehr nahe beieinander liegende Peaks, weniger als 1/2 nm voneinander entfernt.
Ich glaube, Sie haben die zufällige Koinzidenzrate falsch berechnet. Es sollte sein ( 135000 / S ) ( 146000 / S ) ( 10 ns ) = 197 / S .
@EmilioPisanty Ich glaube nicht, dass die Laserbandbreite die Verzögerung zwischen der Emission der beiden Photonen ändert, die immer Null sein sollte. Es erlegt der Summe der Frequenzen der beiden Photonen eine minimal mögliche Unsicherheit auf. Wenn also der Aufbau (viel) Streuung aufweist, ist dies die einzige Möglichkeit, das Zeitintervall zwischen den Detektionen zu beeinflussen. Aber wie auch immer, hier werden die Bandbreiten der Photonen wahrscheinlich von den Spektralfiltern bestimmt, nicht vom Laser.

Antworten (2)

Die Annahme, dass die Photonen gleichzeitig entstehen, ist gut: Sie suchen das Problem an der falschen Stelle.

Was Sie beobachtet haben, ist mit ziemlicher Sicherheit auf technische Details der von Ihnen verwendeten Detektoren zurückzuführen. Es gibt ein Zeitintervall zwischen der Absorption eines Photons durch einen Detektor und dem Erhalt des elektrischen Signals, das dies anzeigt (Latenz). was noch wichtiger ist, dieses Zeitintervall hat auch eine Varianz (Jitter). Diese Werte können je nach verwendetem Detektortyp in der Größenordnung von Nanosekunden liegen.

Noch etwas: Angenommen, Sie haben einen Jitter, der klein genug ist, um das relative Timing von Ereignissen um mehr als 10 ns aufzulösen (sehr wahrscheinlich), haben Sie versucht, die relative Verzögerung zwischen den Signalen von den beiden Detektoren neu einzustellen, nachdem Sie die Zeit-Bin-Größen reduziert haben? Vielleicht sind die Zeit-Bins der beiden Detektoren um einige Nanosekunden "fehlausgerichtet": Bei 10 ns sind die Bins so groß, dass diese Fehlausrichtung keine Rolle spielt.

Dies ist die richtige Antwort; es stimmt mit dem überein, was der Detektorlieferant gesagt hat.

Bei der Erzeugung verschränkter Photonen mittels Spontaneous Parametric Down-Conversion SPDC ist die übliche Annahme, dass die beiden Photonen gleichzeitig erzeugt werden. Ich konnte keine Veröffentlichungen finden, die diese Annahme diskutieren, noch experimentelle Veröffentlichungen, in denen die Verzögerung gemessen wurde.

Ich suche (A) Papiere, die das Obige diskutieren, oder (B) das Obige messen. Im Folgenden wird beschrieben, was wir im Labor tun.

Um von Photonen und Verschränkung zu sprechen, braucht man Feynman-Diagramme. Hier ist ein Diagramm zweier verschränkter Photonen:

zweifot

(a) Feynman-Diagramme des Emissionsvorgangs. Die Wellenlinien zeigen Photonen an, gestrichelte Linien zeigen Löcher an und die durchgezogenen Linien zeigen Elektronen an. Die Doppelpfeil-Elektronenpropagatoren beschreiben die Green-Funktionen, die aus nicht verschwindenden BKSTermen resultieren.

(b) Feynman-Diagramme der Dichtematrixberechnungen

Bitte beachten Sie, dass in Feynman-Diagrammen dieser Art die Zeit auf der y-Achse liegt, die x-Achse jedoch mathematisch ist, eine symbolische Variable, die die mathematische Formulierung des virtuellen Teilchenaustauschs darstellt, keine reale Raumdifferenz, die überschritten werden muss und daher Zeit benötigt.

Im Allgemeinen haben virtuelle Verschiebungen innerhalb der Feynman-Diagramme im Labor keine Bedeutung. In diesem Sinne haben die beiden Photonen in der Grundfigur (a) keinen Zeitversatz und sind somit in ihrer Entstehung deckungsgleich, afaik, keine Zeitverzögerung.

Bei der Suche nach „Feynman-Diagramme für verschränkte SPDC-Photonen“ entdeckte ich, dass der Begriff „Feynman-Diagramm“ in diesem Forschungsbereich erweitert wird, zum Beispiel Abb. 5 hier und Abb. 2 hier . Wenn die Methode den Regeln des Feynman-Diagramms folgt, sollte die Schlussfolgerung dieselbe sein, es gibt keine vorhersagbare räumliche Trennung zwischen den beiden Emissionsscheitelpunkten (deren "Kreuzung" Zeit in Anspruch nehmen würde) und die Scheitelpunkte befinden sich auf derselben Zeitachse.

Zeitliche Verzögerung zwischen verschränkten Photonenpaaren
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