[論文レビュー] Statistical properties of twin beams generated in spontaneous parametric downconversion

Jan Peřina, Ondřej Haderka+1 more|ArXiv.org|Oct 10, 2003

Laser-Matter Interactions and Applications参考文献 3被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、検出効率、損失、雑音を考慮した光子数分解検出モデルを用いて、自己発光的位相一致分割によって生成される二重ビームの統計的性質を調査している。強化型CCDカメラと期待値最大化アルゴリズムを用いて、共同信号-イダー光子数分布を再構築したところ、80%の共分散を示すポisson的統計と、量子的挙動を示す負の値を含む非古典的強度相関が得られた。

ABSTRACT

Measurement of photon-number statistics of fields composed of photon pairs generated in spontaneous parametric downcoversion pumped by strong ultrashort pulses is described. Final detection quantum efficiencies, noises as well as possible loss of one or both photons from a pair are taken into account. Measured data provided by an intensified single-photon CCD camera are analyzed along the developed model. The joint signal-idler photon-number distribution is obtained using the expectation maximization algorithm. Covariance of the signal and idler photon-numbers equals 80 %. Statistics of the generated photon pairs are identified to be Poissonian in our case. Distribution of the integrated intensities of the signal and idler fields shows strong correlations between the fields. Negative values of this distribution occurring in some regions clearly demonstrate a nonclassical character of the light composed of photon pairs.

研究の動機と目的

• 実験的検出条件を反映した状況下で、自己発光的位相一致分割によって生成される二重ビームの統計的挙動を特徴づけること。
• 光子の損失、検出効率の低下、雑音といった実験的不完全要因を、光子数統計の測定に組み込むこと。
• 妥当な検出モデルを用いて、実験データから共同信号-イダー光子数分布を再構築すること。
• 生成された光子対がポisson的統計に従うかどうかを特定し、強度分布における量子相関の程度を評価すること。

提案手法

• 信号およびイダー光子の損失を模擬するための仮想のビームスプリッターを含む、光子数分解検出を記述する理論的モデルを構築した。
• 検出システムを1×Nのマルチポート素子と単一光子検出器の組み合わせとしてモデル化し、実験で用いられた強化型CCDカメラに適用可能であるようにした。
• 測定データから共同信号-イダー光子数分布を再構築するために期待値最大化アルゴリズムを用いた。
• 信号およびイダー経路における有限の量子効率、ダークカウント、損失の影響をモデルに組み込んだ。
• 光子対生成演算子の正規順序モーメントの理論的表現を導出し、第一原理から統計的性質を推定した。
• 非古典的特徴（例えば負の値）を示す可能性があるため、共同統合強度分布を計算し、分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 検出効率や損失を考慮した場合、自己発光的位相一致分割で生成される光子対の統計的分布はどのようなものか？
• RQ2 検出量子効率と雑音は、二重ビームの測定光子数統計にどのように影響するか？
• RQ3 信号およびイダー場が、その共同強度分布によって示される量子相関をどの程度示しているか？
• RQ4 この実験設定における光子対生成プロセスは、ポisson的統計によって最もよく記述されるのか？その根拠は何か？
• RQ5 測定された強度分布に非古典的特徴（例えば負の値）が現れるか？それらは光の量子的性質に何を示唆するか？

主な発見

• 期待値最大化アルゴリズムを用いて、検出効率や損失を考慮した実験データから、共同信号-イダー光子数分布を成功裏に再構築した。
• 信号およびイダー光子数間の測定共分散は80%であった。これは強い量子相関を示している。
• 光子対の統計はポisson的であると特定され、単一モードのコherentな発光プロセスに対する理論的予測と整合的であった。
• 共同統合強度分布は、特定の領域で負の値を示し、二重ビーム光の非古典的挙動の明確な兆候であった。
• モデルは検出効率、ダークカウント、光子損失といった実験的不完全要因を正確に反映しており、信頼性の高い統計的再構築を可能にした。
• 結果として、現実的な検出制限が存在する中でも、二重ビームの量子統計的性質を信頼性高く抽出・特徴づけることができることが確認された。