[论文解读] Anti-Hong-Ou-Mandel interference by coherent perfect absorption of entangled photons

Anton N. Vetlugin, Ruixiang Guo+2 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 57被引用 4

一句话总结

本论文通过利用损耗光束分离器中的相干完美吸收，实现了纠缠光子对的反-洪欧曼干涉，将通常的玻色子聚束反转为反聚束。实验表明，对称（玻色子）态表现出反聚束，而反对称（费米子类）态则表现出聚束，从而在单一光子平台上实现了对量子统计特性的调控。

ABSTRACT

Two-photon interference, known as the Hong-Ou-Mandel effect, has colossal implications for quantum technology. It was observed in 1987 with two photodetectors monitoring outputs of the beamsplitter illuminated by photon pairs: the coincidence rate of the detectors drops to zero when detected photons overlap in time. More broadly, bosons (e.g., photons) coalesce while fermions (e.g., electrons) anti-coalesce when interfering on a lossless beamsplitter. Quantum interference of bosons and fermions can be tested in a single - photonics platform, where bosonic and fermionic states are artificially created as pairs of entangled photons with symmetric and anti-symmetric spatial wavefunctions. We observed that interference on a lossy beamsplitter, or a subwavelength coherent absorber reverses quantum interference in such a way that bosonic states anti-coalesce while fermionic states exhibit coalescent-like behavior. The ability to generate states of light with different statistics and manipulate their interference offers important opportunities for quantum information and metrology.

研究动机与目标

• 探索在标准洪欧曼效应失效的损耗光学元件中的量子干涉行为。
• 研究相干完美吸收是否能够反转纠缠光子对中通常的玻色子干涉行为。
• 展示一种平台，可在该平台上通过纠缠光子实现并观测玻色子与费米子类的量子统计特性。
• 通过操控损耗环境中的量子干涉，为量子计量学与信息学开辟新应用。

提出的方法

• 实验利用亚波长相干吸收体，实现对纠缠光子对的相干完美吸收。
• 通过制备具有对称与反对称空间波函数的纠缠光子对，模拟玻色子与费米子统计行为。
• 利用单光子探测器监测输出端口的符合计数率，测量干涉效应。
• 系统设计为在相干完美吸收条件下运行，即输入光被完全吸收，无反射或透射。
• 通过比较对称与反对称纠缠态的符合计数率，分析量子干涉行为。
• 理论建模采用量子光学形式描述两光子态通过损耗光束分离器的演化过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 相干完美吸收是否能够反转纠缠光子干涉中的标准洪欧曼效应？
• RQ2 损耗干涉如何影响纠缠光子的量子统计特性？
• RQ3 能否在一个光子平台上通过工程化纠缠，同时观测到玻色子与费米子类行为？
• RQ4 对称与反对称波函数在相干吸收条件下对干涉结果的决定作用是什么？
• RQ5 能否在损耗环境中操控量子统计特性，实现玻子的反聚束？

主要发现

• 在相干完美吸收条件下，对称（玻色子）纠缠态的符合计数率降至零，表明存在反聚束行为。
• 反对称（费米子类）纠缠态表现出增强的符合计数率，显示出类似聚束的行为。
• 系统在设计波长处实现了接近100%的吸收效率，证实了相干完美吸收。
• 实验观测到量子统计特性的反转——玻子表现为反聚束，费米子表现为聚束。
• 结果表明，通过调控光学元件的损耗分布，可实现对量子干涉统计特性的调控。
• 观测到的反-洪欧曼效应具有鲁棒性与可重复性，证实了理论预测的损耗系统中干涉行为的反转。