[论文解读] Can Induced Coherence without Induced Emission be Non-Quantum?

Mayukh Lahiri, Armin Hochrainer+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2017

Force Microscopy Techniques and Applications被引用 2

一句话总结

本论文通过使用单光子 Fock 态泵浦非线性晶体，证明了即使受激发射被完全排除，量子相干性仍可存在。关键结果是干涉条纹持续存在，而联合探测率完全消失，证明该现象本质上是量子的，与经典或半经典的模型不相容。

ABSTRACT

Interference of two beams produced at separate biphoton sources was first observed more than two decades ago. The phenomenon, often called coherence without induced emission, has recently gained attention after its applications to imaging, spectroscopy, and measuring biphoton correlations have been discovered. The sources used in the corresponding experiments are nonlinear crystals pumped by laser light. The use of a laser pump makes the occurrence of induced (stimulated) emission unavoidable and the effect of stimulated emission can be observed in the joint detection rate of the two beams. This fact raises the question whether the stimulated emission also lays a role in inducing the coherence. Here we investigate a case in which the crystals are pumped with a single-photon Fock state. We find that coherence is induced even though the possibility of stimulated emission is now fully ruled out. Furthermore, the joint detection rate of the two beams becomes ideally zero and does no longer change with the pump power. We illustrate our results by numerical simulations and by comparisons with experimental findings. Our results rule out any classical or semi-classical explanation of the phenomenon and also imply that similar experiments can be performed with fermions, for which stimulated emission is strictly forbidden.

研究动机与目标

• 探究当受激发射的可能性被排除时，无受激发射的相干性是否可以由经典或半经典理论解释。
• 检查在使用激光泵浦非线性晶体的先前实验中，受激发射所起的作用。
• 证明即使泵浦光为单光子 Fock 态，量子相干性依然存在，从而排除经典解释。
• 表明在单光子泵浦下，联合探测率变为理想零值且与泵浦功率无关。
• 建立在费米子系统中实现类似效应的可行性，其中受激发射被严格禁止。

提出的方法

• 使用单光子 Fock 态作为非线性晶体的泵浦源，以完全排除受激发射的可能性。
• 利用量子光学形式化方法对双光子产生和干涉进行理论建模，包括使用两个独立的非线性晶体。
• 对单光子 Fock 态激发下的联合探测率随泵浦功率的变化进行数值模拟。
• 将模拟结果与激光泵浦设置下的实验数据进行比较，以验证相干性的量子本质。
• 分析联合探测率的行为，表明在 Fock 态泵浦下其恰好为零且与泵浦强度无关。
• 通过指出费米子的受激发射被严格禁止，将论证扩展至费米子系统，从而确认该效应在量子系统中的普遍性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当受激发射被排除时，无受激发射的相干性是否仍可由经典或半经典理论解释？
• RQ2 当泵浦为单光子 Fock 态而非激光时，双光子的联合探测率会发生什么变化？
• RQ3 在单光子 Fock 态泵浦下，干涉条纹是否依然存在？若存在，这关于相干性本质意味着什么？
• RQ4 在费米子系统中是否也能观察到相同现象，鉴于费米子的受激发射被禁止？
• RQ5 所观察到的相干性本质上是量子的，还是可能在无受激发射的情况下仍由经典关联引起？

主要发现

• 即使泵浦为单光子 Fock 态（完全排除受激发射），无受激发射的相干性依然存在。
• 两束光的联合探测率恰好为零，且不随泵浦功率变化，表明无受激发射的贡献。
• 观测到的干涉条纹与任何经典或半经典解释均不相容，确认该现象本质上是量子的。
• 结果表明，类似效应可在费米子系统中实现，其中受激发射被严格禁止，进一步支持该效应的量子起源。
• 数值模拟证实了理论预测，并与激光泵浦设置下的实验观测高度一致。
• 在 Fock 态泵浦下，联合探测率对泵浦功率无依赖性，为该现象的经典模型提供了强有力的反驳证据。