[論文レビュー] Coincidence Subwavelength Interference by a Classical Thermal Light

Kaige Wang, De-Zhong Cao|ArXiv.org|Apr 13, 2004

Random lasers and scattering media被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、古典的熱光が2次空間強度相関を介して、従来量子もつれに起因すると考えられていたものと同一のサブワーブレングス二重スリット干渉を生じさせることを示している。熱光源における横方向波数の相関を活用することで、対称的な位置での一致検出により、レイリー回折限界を下回る干渉パターンが得られ、古典的相関のみでも量子的サブワーブレングスリソグラフィーを模倣できることを示している。

ABSTRACT

We show that a thermal light random in transverse direction can perform subwavelength double slit interference in a joint-intensity measurement. This is the classical version of quantum lithography, and it can be explained with the correlation of rays instead of the entanglement of photons.

研究の動機と目的

• 古典的熱光が、従来もつれに起因すると考えられていたサブワーブレングス干渉パターンを生成できるかどうかを調査すること。
• 不確定性原理に反するように見えるサブワーブレングス干渉が、古典的相関から生じることを示すことにより、そのパラドックスを解明すること。
• 熱ビームにおける強度揺らぎの一致検出が、レイリー限界を超える干渉を達成できることを実証すること。
• 従来もつれを必要とすると考えられていた干渉現象における古典的相関の役割を明確にすること。
• サブワーブレングス干渉の文脈において、熱光ともつれ光子対の2次相関構造を比較すること。

提案手法

• 空間的および周波数的変数を有する波動関数を用いて2光子状態をモデル化し、場演算子の期待値を用いて1次および2次相関関数を導出する。
• SPDCによって生成された完全にもつれた2光子状態の2次相関を分析し、デルタ関数を用いて運動量およびエネルギー保存則を示す。
• 単色ビームが不規則な媒質で散乱するのをモデル化し、ガウス統計を有する確率的場を導出することで、古典的熱光モデルを構築する。
• ウィエナー＝ヒンチンの定理を適用して、散乱場の1次および2次スペクトル相関を導出する。
• タイプIおよびタイプIIのSPDC結晶における2次相関を導出し、量子的もつれ項と古典的熱項を区別する。
• 対称的な位置での一致検出によって測定される際、2次相関関数内の熱相関項がサブワーブレングス干渉を生じることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 古典的熱光はもつれを必要とせずにサブワーブレングス干渉パターンを生成できるか？
• RQ2 2次空間強度相関が古典的光におけるサブワーブレングス干渉を可能にする役割は何か？
• RQ3 サブワーブレングス干渉の文脈において、熱光ともつれ光子対の相関構造はどのように比較できるか？
• RQ4 一致検出が古典的熱光においてレイリー回折限界を下回る干渉パターンを明らかにできるか？
• RQ5 SPDCによって生成されたビームにおいて、量子的および古典的寄与が干渉に共存する条件は何か？

主な発見

• 古典的熱光源は、完全に横方向波数もつれを示す2光子状態と同一の2次空間相関を示す。
• 対称的な位置での一致検出によりサブワーブレングス干渉パターンが観測され、古典的相関のみでも量子的サブワーブレングス効果を模倣できることを示している。
• タイプI SPDCの2次相関関数には、量子的もつれ項と古典的熱項の両方が含まれており、高利得領域では後者が優勢になる。
• タイプII SPDCでは、偏光ビームスプリッタを通過させた後、熱相関が回復するため、偏光フィルタリングが古典的干渉を観測するために不可欠であることが示された。
• 2次相関関数内の古典的熱相関項は、レイリー限界を超える空間周波数の干渉縞を生じさせ、サブワーブレングス分解能が確認された。
• 本研究により、古典的熱光がもつれを必要とせずにサブワーブレングス干渉を実現できることを確立し、干渉現象における古典的・量子的境界を再定義した。