[论文解读] Observation of Anticorrelation with Classical Light in a Linear Optical System

Jianbin Liu, Yu Zhou+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2013

Quantum Information and Cryptography参考文献 2被引用 12

一句话总结

本研究通过线性光学Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉仪，实验演示了使用经典激光和伪热光的双光子反相关。通过观察归一化的二阶相干函数 $ g^{(2)}(0) = 0.75 $，作者证实了双光子的破坏性干涉，反相关源于相干叠加，而非非经典光效应。

ABSTRACT

Two-photon anticorrelation is observed when laser and pseudothermal light beams are incident to the two input ports of a Hong-Ou-Mandel interferometer, respectively. The spatial second-order interference pattern of laser and pseudothermal light beams is reported. Temporal Hong-Ou-Mandel dip is also observed when these two detectors are at the symmetrical positions. These results are helpful to understand the physics behind the second-order interference of light.

研究动机与目标

• 研究在HOM干涉仪中经典激光与伪热光之间的二阶干涉。
• 确定双光子反相关——定义为 $ g^{(2)}(0) < 1 $——是否可在经典光源下发生。
• 阐明在HOM装置中，当一个输入为相干激光而另一个为类热光束时，反相关的物理起源。
• 区分经典双光子干涉与非经典效应（如光子反聚束或亚泊松统计）之间的差异。

提出的方法

• 使用50:50非偏振分束器将单模连续波激光分成两条光路。
• 将一束光通过旋转的磨砂玻璃和透镜，以产生具有空间非相干性的伪热光。
• 使用相同的透镜扩展另一束光，以确保探测平面上的光强均匀。
• 在HOM干涉仪中对称位置使用单光子探测器，测量随横向位置变化的符合计数。
• 理论建模采用修正的二阶相干函数：$ g^{(2)}(x_1,x_2) = 1 + \frac{1}{4}\text{sinc}^2\left(\frac{\pi L}{\lambda z}(x_1 - x_2)\right) - \frac{1}{2}\cos\left(\frac{2\pi d}{\lambda z}(x_1 - x_2)\right)\text{sinc}^2\left(\frac{\pi L}{\lambda z}(x_1 - x_2)\right) $。
• 计算 $ g^{(2)}(0) = 3P_t^2 - 2P_t + 1 $，以分析伪热光束强度比 $ P_t $ 的依赖关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在HOM干涉仪中使用经典激光与伪热光观察到双光子反相关？
• RQ2 归一化的二阶相干函数 $ g^{(2)}(0) $ 如何依赖于激光与伪热光束之间的强度比？
• RQ3 所观察到的反相关是由量子干涉还是经典波效应引起？
• RQ4 当探测器位于对称位置时，时间域HOM凹陷是否证实了此经典设置中双光子干涉的存在？
• RQ5 所观察到的 $ g^{(2)}(0) < 1 $ 是否可能被误认为是光子反聚束或亚泊松统计？

主要发现

• 实验观察到双光子反相关，$ g^{(2)}(0) = 0.75 $，证实了在对称探测器位置处 $ g^{(2)}(0) < 1 $。
• 空间二阶干涉图案显示出周期性调制，具有余弦包络，与理论预测一致。
• 当探测器位于对称位置时，观察到时间域HOM凹陷，表明时间域存在相干双光子干涉。
• 当伪热光束强度比 $ P_t = 1/3 $ 时，$ g^{(2)}(0) $ 的最小值为 $ 2/3 $，证实反相关可在一系列强度下实现。
• 使用修正的 $ g^{(2)} $ 函数进行的理论建模与实验数据高度吻合，验证了干涉模型。
• 结果表明，该现象与破坏性双光子干涉一致，而非光子反聚束等非经典效应，因为在此HOM背景下，$ g^{(2)}(0) < 1 $ 并不意味着亚泊松统计。