[论文解读] Coincidence Subwavelength Interference by a Classical Thermal Light

Kaige Wang, De-Zhong Cao|ArXiv.org|Apr 13, 2004

Random lasers and scattering media被引用 4

一句话总结

本文证明，经典热光可通过二阶空间强度关联产生亚波长双缝干涉，复现了以往仅归因于量子纠缠的效应。通过利用热光源中横向波矢的相关性，对称位置的符合检测揭示了低于瑞利衍射极限的干涉图样，表明仅靠经典关联即可模拟量子亚波长光刻。

ABSTRACT

We show that a thermal light random in transverse direction can perform subwavelength double slit interference in a joint-intensity measurement. This is the classical version of quantum lithography, and it can be explained with the correlation of rays instead of the entanglement of photons.

研究动机与目标

• 探究经典热光是否能产生通常与量子纠缠相关的亚波长干涉图样。
• 通过展示亚波长干涉可源于经典关联，解决其看似违反不确定性原理的悖论。
• 证明对热光束中强度涨落的符合检测可实现超越瑞利极限的干涉。
• 阐明经典关联在以往被认为需要量子纠缠的干涉现象中的作用。
• 比较热光与纠缠光子对在亚波长干涉背景下二阶相关结构的异同。

提出的方法

• 通过包含空间和频率变量的波函数建模两光子态，并利用场算符期望值推导一阶与二阶关联函数。
• 分析通过参量下转换（SPDC）生成的完美纠缠两光子态的二阶关联，通过狄拉克δ函数体现动量与能量守恒。
• 通过单色光束在无序介质上的随机散射构建经典热光模型，得到具有高斯统计特性的随机场。
• 应用维纳-辛钦定理，推导散射场的一阶与二阶光谱关联。
• 推导I型与II型SPDC晶体的二阶关联，区分量子纠缠项与经典热项。
• 表明当在对称位置通过符合检测测量时，二阶关联函数中的热关联项可导致亚波长干涉。

实验结果

研究问题

• RQ1 经典热光是否能在不依赖量子纠缠的情况下产生亚波长干涉图样？
• RQ2 二阶空间强度关联在经典光中实现亚波长干涉的作用是什么？
• RQ3 在亚波长干涉背景下，热光与纠缠光子对的相关结构有何异同？
• RQ4 符合检测是否能在经典热光中揭示低于瑞利衍射极限的干涉图样？
• RQ5 在SPDC产生的光束中，量子与经典贡献共存的条件是什么？

主要发现

• 经典热光源表现出与完美横向波矢纠缠的两光子态完全相同的二阶空间关联。
• 通过在对称位置进行符合检测，观测到亚波长干涉图样，表明经典关联可模拟量子亚波长效应。
• I型SPDC的二阶关联函数同时包含量子纠缠项与经典热项，后者在高增益时占主导地位。
• 对于II型SPDC，仅在经过偏振分束后才能恢复热关联，表明偏振滤波对观测经典干涉至关重要。
• 二阶关联函数中的经典热关联项产生空间频率超出瑞利极限的干涉条纹，证实了亚波长分辨率。
• 本研究确立了经典热光无需依赖量子纠缠即可实现亚波长干涉，重新定义了干涉现象中经典与量子的边界。