[论文解读] Statistical properties of twin beams generated in spontaneous parametric downconversion

Jan Peřina, Ondřej Haderka+1 more|ArXiv.org|Oct 10, 2003

Laser-Matter Interactions and Applications参考文献 3被引用 6

一句话总结

本文研究了通过自发参量下转换产生的孪生光束的统计特性，采用考虑探测效率低下、损耗和噪声的光子数分辨探测模型。利用增强型CCD相机和期望最大化算法，作者重建了联合信号-闲频光子数分布，发现其具有80%的协方差和非经典强度关联，包括负值，表明存在量子行为。

ABSTRACT

Measurement of photon-number statistics of fields composed of photon pairs generated in spontaneous parametric downcoversion pumped by strong ultrashort pulses is described. Final detection quantum efficiencies, noises as well as possible loss of one or both photons from a pair are taken into account. Measured data provided by an intensified single-photon CCD camera are analyzed along the developed model. The joint signal-idler photon-number distribution is obtained using the expectation maximization algorithm. Covariance of the signal and idler photon-numbers equals 80 %. Statistics of the generated photon pairs are identified to be Poissonian in our case. Distribution of the integrated intensities of the signal and idler fields shows strong correlations between the fields. Negative values of this distribution occurring in some regions clearly demonstrate a nonclassical character of the light composed of photon pairs.

研究动机与目标

• 表征在实际探测条件下，自发参量下转换产生的孪生光束的统计行为。
• 在测量光子数统计时，考虑探测效率低下、光子损耗和噪声等实验缺陷。
• 利用经过验证的探测模型，从实验数据中重建联合信号-闲频光子数分布。
• 确定生成的光子对是否符合泊松统计，并评估其强度分布中的量子关联程度。

提出的方法

• 建立理论模型以描述光子数分辨探测，包括使用虚拟分束器来模拟信号和闲频光子的损耗。
• 将探测系统建模为多端口1×N装置，后接单光子探测器，适用于实验中使用的增强型CCD相机。
• 采用期望最大化算法，从测量数据中重建联合信号-闲频光子数分布。
• 该模型综合考虑了信号和闲频路径中有限的量子效率、暗计数和损耗的影响。
• 推导出光子对产生算符的正则有序矩的理论表达式，以从第一原理推断统计特性。
• 计算并分析联合积分强度分布，以识别非经典特征，如负值，表明量子行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 当考虑探测效率低下和损耗时，自发参量下转换产生的光子对的统计分布是什么？
• RQ2 探测量子效率和噪声如何影响孪生光束的测量光子数统计？
• RQ3 信号和闲频场在多大程度上表现出量子关联，其证据来自其联合强度分布？
• RQ4 该设置中光子对生成过程是否最宜用泊松统计描述，其依据是什么？
• RQ5 测量的强度分布是否表现出非经典特征，如负值，其对光的量子本质意味着什么？

主要发现

• 通过期望最大化算法，成功从实验数据中重建了考虑探测效率低下和损耗的联合信号-闲频光子数分布。
• 测得的信号和闲频光子数之间的协方差为80%，表明存在强烈的量子关联。
• 光子对的统计特性被识别为泊松分布，与单模、类似相干态发射过程的理论预测一致。
• 联合积分强度分布的某些区域出现负值，是孪生光束光场中非经典行为的明确标志。
• 该模型准确考虑了实验缺陷，包括探测效率、暗计数和光子损耗，从而实现了可靠的统计重建。
• 结果证实，即使在存在实际探测限制的情况下，孪生光束的量子统计特性仍可被可靠提取和表征。