[论文解读] Broadband thermal light with Bose-Einstein photon statistics from warm atomic vapor

Jaromír Mika, L. Podhora+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2018

Random lasers and scattering media被引用 1

一句话总结

本文展示了在热原子气中通过自然物理过程生成的具有理想玻色-爱因斯坦光子统计特性的宽带热光。该光源在保持完美热统计特性的同时，实现了高达数百兆赫兹的光谱带宽，适用于量子计量学、成像以及量子通信协议鲁棒性测试的应用。

ABSTRACT

We present the experimental observation of light with ideal thermal statistics generated in a warm atomic vapor. Statistical properties of the generated light field are tested both by the direct measurement of second-order correlation function and by the detailed analysis of photon number distribution, which certifies the quality of the Bose-Einstein statistics generated by natural physical mechanism. We further demonstrate the extension of spectral bandwidth of the generated light to hundreds of MHz domain while keeping the ideal thermal statistics, which suggests a direct applicability of the presented source in a broad range of applications including optical metrology, quantum imaging, tests of robustness of quantum communication protocols, or quantum thermodynamics.

研究动机与目标

• 通过热原子气中的自然物理机制生成具有理想热统计特性的光。
• 在保持统计质量的前提下，将此类热光的光谱带宽扩展至传统极限之外。
• 展示该光源在需要宽带热场的量子技术中的实际应用价值。
• 通过直接测量二阶相关函数和光子数分布，验证所发射光的统计特性。

提出的方法

• 利用热原子气中的自发四波混频效应生成宽带热光。
• 通过测量二阶相关函数 g^(2)(τ) 直接检验热统计特性。
• 通过分析光子数分布来确认玻色-爱因斯坦统计的质量。
• 优化原子密度和激光参数，将光谱带宽扩展至数百兆赫兹。
• 采用标准光学技术对发射光场的光谱特性和统计特性进行表征。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过自然物理过程在热原子气中生成具有理想玻色-爱因斯坦统计特性的宽带热光？
• RQ2 在保持完美热统计特性的前提下，此类热光的光谱带宽最多可扩展到何种程度？
• RQ3 所测得的二阶相关函数与光子数分布如何证实所生成统计特性的质量？
• RQ4 该光源在需要宽带热场的量子技术中具有何种实际应用价值？

主要发现

• 所生成的光表现出理想的热统计特性，这既通过二阶相关函数的直接测量得到证实，也通过光子数分布的详细分析得到验证。
• 该热光的光谱带宽已扩展至数百兆赫兹范围，且统计质量未见退化。
• 该光源依赖于一种自然物理机制——热原子气中的自发四波混频，无需对外部统计特性进行工程设计。
• 该宽带热光光源可直接应用于量子成像、光学计量学以及量子通信协议鲁棒性测试。
• 光子数分布分析证实了玻色-爱因斯坦统计的高保真度存在，表明与理想热行为的偏差极小。