[논문 리뷰] Observation of Anticorrelation with Classical Light in a Linear Optical System

Jianbin Liu, Yu Zhou외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 12. 18.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 2인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 선형 광학 홍-오우-마נדל(Hong-Ou-Mandel, HOM) 간섭계에서 고전적 레이저와 허위 열광을 이용하여 이광자 반상관성을 실험적으로 입증한다. 정규화된 이阶 상관 함수 $ g^{(2)}(0) = 0.75 $ 를 관측함으로써 저자들은 간섭계의 위상에서 파동의 위상 일치에 기인한 간섭에 의한 파라미터의 상쇄 효과를 확인한다. 이는 비고전적 빛의 효과가 아닌 고전적 간섭에 기인한 것으로 나타났다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고전적 레이저와 허위 열광 사이의 이阶 간섭을 HOM 간섭계에서 연구하기 위해.
• 두 광자 반상관성 — 정의상 $ g^{(2)}(0) < 1 $ — 이 고전적 빛 소스에서 발생할 수 있는지 확인하기 위해.
• 한 입력이 일관된 레이저이고 다른 입력이 열적 성질을 띤 빛일 경우 HOM 설정에서 반상관성의 물리적 기원을 명확히 하기 위해.
• 고전적 이광자 간섭과 광자 반분리 또는 보다 낮은 포isson 분포 통계와 같은 비고전적 효과를 구분하기 위해.

제안 방법

• 일관된 연속파 레이저를 50:50 비극성 분광기로 두 경로로 분할하였다.
• 한 빛을 회전하는 거친 유리판과 렌즈를 통과시켜 공간적 비일관성을 가진 허위 열광을 생성하였다.
• 다른 빛을 동일한 렌즈로 확산시켜 검출 평면 전체에 균일한 강도를 확보하였다.
• HOM 간섭계에서 대칭 위치에 있는 단광자 검출기를 사용하여 횡방향 위치에 따른 동시 발생 수를 측정하였다.
• 이론적 모델링은 수정된 이阶 상관 함수를 사용하였다: $ 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) $.
• 허위 열광 빛의 강도 비율 $ P_t $ 에 따른 의존성을 분석하기 위해 $ g^{(2)}(0) = 3P_t^2 - 2P_t + 1 $ 을 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고전적 레이저와 허위 열광을 사용하여 HOM 간섭계에서 이광자 반상관성을 관측할 수 있는가?
• RQ2 정규화된 이阶 상관 함수 $ g^{(2)}(0) $ 는 레이저와 허위 열광 빛 사이의 강도 비율에 어떻게 의존하는가?
• RQ3 관측된 반상관성은 양자 간섭 현상인지, 고전적 파동 효과인지인가?
• RQ4 검출기가 대칭 위치에 있을 때 시간적 HOM 딤피는 이 고전적 설정에서 이광자 간섭의 존재를 확인하는가?
• RQ5 관측된 $ g^{(2)}(0) < 1 $ 는 광자 반분리 또는 보다 낮은 포isson 분포 통계로 오해될 수 있는가?

주요 결과

• 실험적으로 $ g^{(2)}(0) = 0.75 $ 를 관측하여 대칭 검출기 위치에서 $ g^{(2)}(0) < 1 $ 이 성립함을 확인하였다.
• 공간적 이阶 간섭 무늬는 이론 예측과 일치하는余弦형 에너지로 주기적인 변동을 보였다.
• 검출기가 대칭 위치에 있을 때 시간적 HOM 딤피가 관측되어 시간 영역에서의 간섭에 기인한 일관된 이광자 간섭이 있음을 나타내었다.
• 허위 열광 빛의 강도 비율 $ P_t = 1/3 $ 일 때 $ g^{(2)}(0) $ 의 최소값은 $ 2/3 $ 으로 도출되었으며, 이는 다양한 강도 범위에서 반상관성이 달성 가능하다는 것을 확인하였다.
• 수정된 $ g^{(2)} $ 함수를 사용한 이론적 모델링이 실험 데이터와 밀도 있게 일치하여 간섭 모델의 타당성을 검증하였다.
• 결과는 반상관성이 비고전적 효과(예: 광자 반분리)가 아닌 파동의 간섭에 기인한 간섭에 의한 것으로 밝혀졌으며, 이 HOM 맥락에서 $ g^{(2)}(0) < 1 $ 이라는 사실은 보다 낮은 포isson 분포 통계를 의미하지는 않음을 확인하였다.