[論文レビュー] Single photon wavefront-splitting interference: An illustration of the light quantum in action

V. Jacques, E Wu+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2020

Nonlinear Optical Materials Studies参考文献 22被引用数 46

ひとこと要約

クロックトリガー付き NV センターをダイヤモンドナノクリスタルに用い、 Fresnelビプリズムによる波面分割を介した真の単一光子干渉を実証する。反相関による粒子様挙動を確認し、単一光子縁の実時間でのフリンジの成長を示す。

ABSTRACT

We present a new realization of the textbook experiment consisting in single-photon interference based on the pulsed, optically excited photoluminescence of a single colour centre in a diamond nanocrystal. Interferences are created by wavefront-splitting with a Fresnel's biprism and observed by registering the "single-photon clicks" with an intensified CCD camera. This imaging detector provides also a real-time movie of the build-up of the single-photon fringes. We perform a second experiment with two detectors sensitive to photons that follow either one or the other interference path. Evidence for single photon behaviour is then obtained from the absence of time coincidence between detections in these two paths.

研究の動機と目的

• Young二重 slit パラダイムに近い波面分割セットアップで単一光子干渉を実証する。
• 経路情報と反相関測定による粒子様挙動の証拠を提供する。
• intensified CCD カメラを用いて干渉縁の実時間成長を示す。
• 真の単一光子パルスと減衰させた古典パルスを比較して非古典光挙動を浮き彫りにする。

提案手法

• 532 nm パルス励起下のダイヤモンドナノクリスタル中の単一NVセンターからの clock-triggered 単一光子放出を利用する。
• Fresnelビプリズムを用いて波面を分割し、重なり領域で干渉を観察し、リアルタイムの縁成長を実現するために real-time fringe buildup を intensifed CCD カメラで観測する。
• アバランチフォトダイオードで時刻スタンプ付き検出イベントを記録し、反相関パラメータ alpha を計算して単一光子光と古典光の挙動を区別する。
• 二経路の which-path 実験を実施し、二つの出力チャネル間の同時検出の有無を解析して粒子様挙動を示す。
• 観測された干渉パターンを Fresnel-diffraction に基づくビーム伝搬モデルで適合させ、NVセンター放出の時間的一貫性を説明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Fresnelビプリズムによって波面が分割されたとき、真の干渉を単一光子源は生み出し得るか。
• RQ2 反相関と出力経路間の同時検出の不在によって、実験は粒子様挙動を示しているか。
• RQ3 重ね合わせ領域における単一光子干渉縁の成長ダイナミクスと可視性はどのようになるか。
• RQ4 真の単一光子パルスと減衰したコヒーレントパルスを比較して、非古典光挙動はどのように浮き彫りになるか。
• RQ5 古典的半古典モデルが観測結果を再現できるかどうか、そして測定された alpha 値はそのモデルとどのように対比するか。

主な発見

• 窒素空孔中心（NV）から放出される単一光子パルスは強い反相関を示し（alpha = 0.13 ± 0.01）、半古典的境界 alpha ≥ 1 を破る。
• 淡いレーザーパルス（古典/ポアソン分布）は alpha = 1.00 ± 0.06 を示し、ポアソン統計と真の単一光子挙動の欠如と一致する。
• 実時間で intensifed CCD カメラ上に中央フリンジで約94%の可視性を持つ干渉縁が構築され、単一光子領域での波のような挙動を示す。
• 二つの干渉計パス間の時間同時性測定は同時検出の不在を示し、単一光子の粒子様挙動を支持する。
• g^(2) のような遅延ヒストグラムによる二次干渉解析は零遅延の同時検出の強い抑制を確認し、単一光子の期待と一致する。