[论文解读] Verifying entanglement by attempting to undo it with ultra-broadband bi-photons

Yaakov Shaked, Roey Pomerantz+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2012

Quantum Information and Cryptography被引用 1

一句话总结

该论文通过使用成对的马赫-曾德尔干涉仪，利用相长与相消干涉测量量子态，展示了一种高速验证超宽带双光子量子纠缠的方法。通过利用强泵浦场（10⁷–10⁹）实现高效上转换和简单光电探测，该技术相比标准方法将测量时间缩短了四个数量级，条纹可见度直接反映了双光子的纯度和量子特性。

ABSTRACT

We observe at record-high speed the nonclassical nature of ultra-broadband bi-photons, reducing the measurement time by four orders of magnitude compared to standard techniques of Hong-Ou-Mandel interference or sum-frequency generation. We measure the quantum state of the broadband bi-photons, amplitude and phase, with a pairwise Mach-Zehnder quantum interferometer, where bi-photons that are generated in one nonlinear crystal are enhanced (constructive interference) or diminished (destructive interference) in another crystal, depending on the bi-photon phase. We verify the quantum nature of the interference by observing the dependence of the fringe visibility on internal loss. Since destructive interference is equivalent to an attempt to annihilate in the second crystal (by up-conversion) the bi-photons that were created in the first crystal (by down-conversion), the fringe visibility is a measure for the quantum bi-photon purity of the broadband light. The measurement speed-up is due to the large homodyne-like gain from the strong pump ($\!\sim\!10^{7-9}$) in the up-conversion efficiency of single bi-photons, which enables the use of simple photo-detection of the full, ultra-high photon flux instead of single-photon / coincidence counting.

研究动机与目标

• 克服传统纠缠验证技术（如洪欧-曼德尔干涉和和频生成）测量速度缓慢的问题。
• 开发一种方法，实现对超宽带双光子量子特性的快速、高保真度验证。
• 利用第二个非线性晶体中的相消干涉作为双光子湮灭的检验，从而探测量子纯度。
• 通过用直接光电探测替代单光子计数，实现显著提速。

提出的方法

• 采用成对的马赫-曾德尔干涉仪，其中在一个非线性晶体中产生的双光子在第二个晶体中根据其相对相位发生干涉。
• 利用强泵浦场（10⁷–10⁹）提高上转换效率，使高光子通量可通过标准光电探测而非符合计数进行检测。
• 通过测量条纹可见度随内部损耗的变化，评估干涉的量子特性及双光子纯度。
• 利用强泵浦带来的类似同频混频的增益，放大信号，从而大幅缩短测量时间。
• 通过干涉仪装置中受控的干涉，测量双光子的振幅和相位，从而表征其量子态。
• 将第二个晶体中的相消干涉视为试图逆转原始下转换过程的尝试，从而通过可见度响应检验态的非经典特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过改进的干涉方法，在创纪录的高速下验证超宽带双光子的量子特性？
• RQ2 在不同内部损耗条件下，条纹可见度在多大程度上证实了双光子态的非经典特性？
• RQ3 强泵浦增强上转换如何实现相比标准技术四数量级的测量时间减少？
• RQ4 在宽带系统中，干涉条纹的可见度能否作为双光子纯度的直接度量？
• RQ5 在高通量双光子系统中，能否在不损失量子信息的前提下，用直接光电探测替代单光子计数？

主要发现

• 与标准的洪欧-曼德尔或和频生成技术相比，测量时间缩短了四个数量级。
• 条纹可见度明显依赖于内部损耗，证实了干涉的非经典特性及双光子的量子特性。
• 干涉条纹的可见度在超宽带范围内可作为双光子纯度的直接定量度量。
• 强泵浦（10⁷–10⁹）实现了类似同频混频的增益，使高效上转换和使用标准光电探测检测高光子通量成为可能。
• 第二个晶体中的相消干涉有效模拟了对双光子的湮灭尝试，通过可见度响应验证了态的量子特性。
• 该方法实现了高速验证，无需复杂的符合计数，显著提升了在量子光学应用中的实用性。