[논문 리뷰] Single photon wavefront-splitting interference: An illustration of the light quantum in action

V. Jacques, E Wu외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 25.

Nonlinear Optical Materials Studies참고 문헌 22인용 수 46

한 줄 요약

프레넬 비프리즘으로 파면을 분할한 다이아몬드 나노결정의 시계 트리거 NV 센서를 이용한 진정한 단일 광자 간섭을 입증하고, 반상관을 통한 입자-거동을 확인하며 단일 광자 간섭 무늬의 실시간 형성을 보인다.

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.

연구 동기 및 목표

• Young의 이중슬릿 패러다임에 근접한 파면 분할 설정에서 단일 광자 간섭을 입증한다.
• 경로 정보 및 반상관 측정을 통해 입자-유사 거동의 증거를 제공한다.
• 강격 CCD 카메라를 이용한 실시간 간섭 무늬 형성의 구축을 보여준다.
• 진짜 단일 광자 펄스와 감쇠된 고전적 펄스의 비교를 통해 비고전 광의 거동을 강조한다.

제안 방법

• 펄스 532 nm 자극 하에 다이아몬드 나노결정 내 단일 NV 센서로부터 시계 트리거 단일 광자 방출을 사용한다.
• 파면을 분할하고 중첩 영역에서 간섭을 관찰하기 위해 프레넬 비프리즘을 구현하고 실시간 간섭 무늬 형성을 위한 실시간 프린지 빌드업을 강화된 CCD 카메라로 관찰한다.
• 아발랑치 포토다이오드로 시간 스탬프가 찍힌 탐지 이벤트를 기록하여 반상관 파라미터 alpha를 계산하고 단일 광자 및 고전광의 거동을 구분한다.
• 두 출력 채널 간의 동시 검출 부재를 보여주기 위해 두 경로 간의 동시성(coincidence)을 분석하는 이경로(두 경로) 실험을 수행한다.
• NV 센서 방출의 시간적 일관성을 설명하는 프레넬 회절 기반 빔 전파 모델로 관찰된 간섭 패턴을 적합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 프레넬 비프리즘으로 파면이 분할될 때 광원인 단일 광자 소스가 진정한 간섭을 생성할 수 있는가?
• RQ2 실험은 반상관 및 출력 경로 간 동시발생의 부재를 통해 입자-유사 거동을 드러내는가?
• RQ3 중첩 영역에서 단일 광자 간섭 무늬의 형성 동력학과 가시성은 어떠한가?
• RQ4 진짜 단일 광자 펄스와 감쇠된 코히언 펄스를 비교하면 비고전 광 거동이 어떻게 드러나는가?
• RQ5 고전적 반-고전적(semiclassical) 모델이 관측 결과를 재현할 수 있으며, 측정된 alpha 값은 이러한 모델과 어떻게 대조되는가?

주요 결과

• 질소-빈치(NV) 센서에서 방출된 단일 광자 펄스는 강한 반상관(alpha = 0.13 ± 0.01)을 보이며 부분-고전 한계 alpha ≥ 1를 위반한다.
• 희미한 레이저 펄스(고전/포아송 통계)는 alpha = 1.00 ± 0.06으로 포아송 분포 통계 및 진정한 단일 광자 거동의 부재를 시사한다.
• 강화된 CCD 카메라에서 중심 프린지에서 약 94%의 가시성으로 실시간으로 간섭 무늬가 형성되어 파동-유사 거동이 단일 광자 구간에서 나타남을 보여준다.
• 두 간섭계 경로 간의 시간 동시 측정은 동시 검출의 부재를 나타내며 단일 광자에 대한 입자-유사 거동을 지지한다.
• g^(2) 유사 지연 히스토그램을 통한 二차 간섭 분석은 제로 지연 동시검출의 강한 억제를 확인하여 단일 광자 기대값과 일치한다.