[論文レビュー] Observation of Anticorrelation with Classical Light in a Linear Optical System

Jianbin Liu, Yu Zhou+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2013

Quantum Information and Cryptography参考文献 2被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、線形光学のHong-Ou-Mandel (HOM) 干渉計を用いて、古典的レーザー光と擬似熱光を用いた二光子反相関を実験的に示した。正規化された二階相関関数 $ g^{(2)}(0) = 0.75 $ を観測することで、著者らは干渉的破壊による二光子干渉を確認した。この反相関は、非古典的光の効果ではなく、コherentな重ね合わせに起因する。

ABSTRACT

Two-photon anticorrelation is observed when laser and pseudothermal light beams are incident to the two input ports of a Hong-Ou-Mandel interferometer, respectively. The spatial second-order interference pattern of laser and pseudothermal light beams is reported. Temporal Hong-Ou-Mandel dip is also observed when these two detectors are at the symmetrical positions. These results are helpful to understand the physics behind the second-order interference of light.

研究の動機と目的

• HOM干渉計における古典的レーザー光と擬似熱光の二階干渉を調査すること。
• 二光子反相関—定義として $ g^{(2)}(0) < 1 $ — が古典的光源で発生するかどうかを特定すること。
• 入力の一方がコherentレーザーで他方が熱的性質を示すビームであるHOM設定における反相関の物理的起源を明確にすること。
• 古典的二光子干渉と、光子の反相関や超ポisson的統計といった非古典的効果を区別すること。

提案手法

• 単一モードの連続波レーザーを50:50非偏光ビームスプリッターで二つの経路に分割した。
• 一つのビームを回転する研磨ガラスとレンズを通すことで、空間的非同一性を持つ擬似熱光を生成した。
• 他のビームを同一のレンズで拡大し、検出平面全体に均一な強度を確保した。
• HOM干渉計の対称的位置に配置された単一光子検出器を用いて、横方向位置の関数としての一致計数を測定した。
• 理論的モデリングには、修正された二階相関関数を用いた：$ g^{(2)}(x_1,x_2) = 1 + \frac{1}{4}\text{sinc}^2\left(\frac{\pi L}{\lambda z}(x_1 - x_2)\right) - \frac{1}{2}\cos\left(\frac{2\pi d}{\lambda z}(x_1 - x_2)\right)\text{sinc}^2\left(\frac{\pi L}{\lambda z}(x_1 - x_2)\right) $。
• 擬似熱光ビームの強度比 $ P_t $ に依存する関係を分析するため、$ g^{(2)}(0) = 3P_t^2 - 2P_t + 1 $ を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HOM干渉計において、古典的レーザー光と擬似熱光を用いて二光子反相関を観測できるか？
• RQ2 正規化された二階相関関数 $ g^{(2)}(0) $ は、レーザー光と擬似熱光ビームの強度比にどのように依存するか？
• RQ3 観測された反相関は、量子干渉の結果であるのか、それとも古典的波動効果によるものか？
• RQ4 検出器が対称的位置にある場合の時間的HOMディップは、この古典的設定における二光子干渉の存在を確認するものか？
• RQ5 観測された $ g^{(2)}(0) < 1 $ は、光子の反相関や超ポisson的統計と誤認される可能性があるか？

主な発見

• 実験的に $ g^{(2)}(0) = 0.75 $ を観測し、対称的な検出器位置における $ g^{(2)}(0) < 1 $ を確認した。
• 空間的二階干渉パターンは、余弦型の包絡線を示す周期的モードを示し、理論的予測と整合的であった。
• 検出器が対称的位置に配置された場合、時間的HOMディップが観測され、時間領域におけるコherentな二光子干渉が示された。
• $ g^{(2)}(0) $ の最小値は、擬似熱光ビームの強度比 $ P_t = 1/3 $ のとき $ 2/3 $ に達し、さまざまな強度範囲で反相関が達成可能であることを確認した。
• 修正された $ g^{(2)} $ 関数を用いた理論的モデリングは、実験データとよく一致し、干渉モデルの妥当性を裏付けた。
• 結果は、光子の反相関などの非古典的効果ではなく、干渉的破壊による二光子干渉に起因することを示した。$ g^{(2)}(0) < 1 $ であっても、このHOMの文脈では超ポisson的統計を示唆しない。