[论文解读] Nonlocality - The party may be over

Trevor W. Marshall|ArXiv.org|Mar 9, 2002

Quantum Mechanics and Applications参考文献 4被引用 3

一句话总结

本文提出，自发参量下转换（SPDC）实际上是非线性晶体中零点场模的放大，引入了理论上预测但尚未观测到的自发参量上转换（SPUC）现象。通过证明SPUC与SPDC具有相位匹配对称性，作者认为光学纠缠可通过一种局域的、实在论的零点场理论得到一致解释，从而挑战了量子光学中基于非局域光子的诠释。

ABSTRACT

We demonstrate that the phenomenon known as Spontaneous Parametric Down Conversion is really an amplification, in a nonlinear crystal pumped by a laser, of certain pairs of modes of the electromagnetic zeropoint field. The demonstration is achieved by showing the existence of a related phenomenon, Spontaneous Parametric Up Conversion. This phenomenon, once observed, will cast doubt on the quantum-optical theory, which treats photons as the elementary objects of the light field. It will also lend greater credibility to the zeropoint-field description of optical entanglement phenomena. That description is based on the unquantized light field and is consistently local, in contrast with the nonlocal description of Quantum Optics.

研究动机与目标

• 通过基于电磁零点场（ZPF）的局域实在论替代方案，挑战非局域的、基于光子的量子光学诠释。
• 证明SPDC并非光子的产生，而是非线性晶体中预先存在的ZPF模的放大。
• 预测并证明自发参量上转换（SPUC）的存在，作为SPDC的对称对应过程，作为关键可检验预测。
• 表明标准的量子光学检测模型违反了局域作用原理（PLA），并提出一种基于场振幅的局域检测理论。

提出的方法

• 将SPUC表述为SPDC的时间反演过程，即红外激光与真空紫外模生成可见信号，使用相同的相位匹配条件。
• 在泵浦场振幅恒定的假设下，对泵浦、真空和信号波的振幅 $A_1$、$A_2$ 和 $A_3$ 应用线性化模式耦合方程。
• 利用相位失配 $\Delta'$ 的正弦平方依赖关系，计算信号模在晶体长度 $l$ 上的强度增长，其中 $\Delta' = \sqrt{\Delta^2 + \beta_1 I_2 \beta_3}$。
• 通过耦合微分方程推导SPUC的强度转移关系：$dA_1/dz = i\beta_1 A_2 e^{i\Delta z} A_3$ 和 $dA_3/dz = i\beta_3 A_2^* e^{-i\Delta z} A_1$，假设具有完美的横向相位匹配。
• 利用正弦平方包络计算SPUC在方位角方向和波长上的强度分布，显示由于BBO晶体的双折射效应导致的非中心彩虹。
• 在相同泵浦强度下比较SPUC与SPDC的强度，发现SPUC强度在可见光谱的大部分波段可达SPDC强度的约50%。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不引入光子产生的情况下解释自发参量下转换（SPDC）现象，而是将其视为零点场模的放大？
• RQ2 是否存在SPDC的对称对应过程——自发参量上转换（SPUC）？该过程在相位匹配上与SPDC不可区分，但物理诠释不同。
• RQ3 SPUC的存在是否动摇了标准量子光学检测处理方式，后者依赖于非局域塌缩和正规排序算法？
• RQ4 能否构建一种局域的、实在论的检测理论，避免光子图像中固有的非局域性，同时仍能重现观测到的SPDC与SPUC强度？
• RQ5 贝尔测试中无增强假说的违背是否源于对探测器响应的错误假设，而非非局域性本身？

主要发现

• 当845 nm红外激光正入射时，SPUC在BBO晶体中预计会产生可见的、非中心的彩虹光，最强发射位于约180°方位角方向。
• 当SPUC与SPDC使用相同强度的激光泵浦时，SPUC的强度被计算为约为SPDC强度的50%。
• 由于BBO晶体的双折射效应，紫外模的折射率随角度变化，导致SPUC彩虹不以泵浦光束为中心。
• SPUC的相位匹配条件与SPDC完全相同，这意味着如果SPDC是真实过程，SPUC也必须是真实的，尽管尚未被观测到。
• SPUC的强度转移方程表明，信号模通过依赖于泵浦强度和晶体长度的共振耦合机制增长，其相位失配具有正弦平方依赖关系。
• 该模型表明，标准的量子光学检测机制违反了局域作用原理，而基于场振幅的局域实在论理论可一致解释SPDC与SPUC。