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Sandbox Physics
量子物理:读懂证据

诺奖 A · 证据与操控

两个光子怎样一起走出分束器

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为什么符合谷测量的是模式重叠,而不是光子消失?

扫描光程,数成对的点击

从一个平衡分束器的两边,各送进一个光子。两个光子的到达模式如果完全匹配,它们会一起从某一个输出端离开,两台输出探测器就不再同时响。Hong、Ou 与 Mandel 在 1987 年利用了这个效应:他们用下转换产生光子对,扫描分束器的位置,数出符合曲线上的凹谷。这个谷显示的相对时间尺度,比探测器能直接分辨的时间短得多。

论文画出的符合已经扣除了偶然符合。电子学的符合窗口是 7.5 纳秒,另用一个错开的窗口估计偶然符合。电子学窗口决定哪些点击归为一次符合;光程扫描推断出的约百飞秒相干时间,则描述光子波包保持干涉的时间尺度。

证据阅读:C. K. Hong, Z. Y. Ou and L. Mandel (1987), Measurement of Subpicosecond Time Intervals between Two Photons by Interference, PRL 59, 2044–2046 — scanned copy

完全重叠时,两条振幅相消

要让每个输出端各有一个光子,有两条可能的路:两个都透射,或者两个都反射。如果分辨不出是哪一条,量子理论就把两条路的振幅相加;振幅是一种带相位的量,它的模平方才是概率。完全匹配时,两条振幅恰好抵消。光子仍在输出端,只是改为一起离开。

下式算的是每个输入恰好一个、相互独立的纯态光子,分束器无损且平衡,输出收集理想的情形。tau 表示扫描的相对延迟,f 和带延迟下标的 g 描述归一化波包;括号内的重叠把所有可能区分两光子的内部模式都算进去。偏振正交,或到达模式互不重叠时,符合概率回到二分之一。

Pcoin(τ)=1−∣⟨f∣gτ⟩∣22P_{\mathrm{coin}}(\tau)=\frac{1-\left|\langle f\mid g_{\tau}\rangle\right|^2}{2}

证据阅读:C. K. Hong, Z. Y. Ou and L. Mandel (1987), Measurement of Subpicosecond Time Intervals between Two Photons by Interference, PRL 59, 2044–2046 — scanned copyA. M. Brańczyk (2017), Hong–Ou–Mandel Interference — author notes, arXiv:1711.00080

混合输入会让符合谷变浅

光谱相同,并不足以直接套用纯态乘积公式。举一个我们自己的混态例子:有两个正交模式,每个光子以相同概率处在其中之一。这样一半光子对模式相同,一半不同,零延迟时的平均符合概率是四分之一。

即使其他光学器件都理想,符合谷也只从可区分时的水平降下一半。如果两个光子的频谱彼此关联,就得用它们的联合态来算。历史下转换计算与这里的纯波包算例,便采用了不同输入假设。

设一个虚构的无损分束器,强度反射率 0.60,透射率 0.40。完全匹配的光子符合概率为 0.04,可区分光子为 0.52,可见度约为 0.923。这里谷底不为零,完全是分束比不平衡造成的。

先把带符号的双反射振幅和双透射振幅相加,再取模平方,就得到匹配时的结果;先把概率相加,得到的则是可区分时的水平。这给曲线提供了一项独立检验:谷底要到零,分束平衡与光子匹配必须同时成立。

证据阅读:A. M. Brańczyk (2017), Hong–Ou–Mandel Interference — author notes, arXiv:1711.00080C. K. Hong, Z. Y. Ou and L. Mandel (1987), Measurement of Subpicosecond Time Intervals between Two Photons by Interference, PRL 59, 2044–2046 — scanned copy

把归一化写清楚

再看另一个虚构的计数例:远离零延迟的一格有 110 次事件,谷底一格有 20 次,两处各自估计的恒定背景都是十次。原始可见度约为 0.818,扣除背景后是 0.90。两个数都说得通,但报告时必须写明用的是哪一个。

曲线旁边还应写明曝光时间、光源漂移、偶然符合窗口怎样缩放,以及不确定度怎样传播。位移也要按实际光路几何换算成延迟:移动反射器时,往返光程的变化可能是位移的两倍,直接把距离轴当成时间轴,就会把宽度报错。

证据阅读:C. K. Hong, Z. Y. Ou and L. Mandel (1987), Measurement of Subpicosecond Time Intervals between Two Photons by Interference, PRL 59, 2044–2046 — scanned copy

符合谷检验的是一个部件

良好的双光子干涉能帮助 Bell 态分析器按预期工作;但单凭一个符合谷,既不能证明偏振纠缠,也堵不上探测漏洞,也建不成完整的量子通信信道。这些任务还需要更多设置,以及完整的资源清单。

这种干涉是联合光子测量的一项重要组成。纠缠交换和密集编码中的分析器,也先在分束器上叠加几种可能性,再根据探测图样识别某种联合结果。符合谷给出的,正是这一组成部分配合得有多好的线索。

证据阅读:A. M. Brańczyk (2017), Hong–Ou–Mandel Interference — author notes, arXiv:1711.00080J.-W. Pan, D. Bouwmeester, H. Weinfurter and A. Zeilinger (1998), Experimental Entanglement Swapping, PRL 80, 3891–3894

来源与阅读说明

1987 年论文只有扫描件,提取不出文字,本文逐页看了全部三页;另参考 Brańczyk 2017 年的讲义,分清纯态、混态和频谱纠缠三种输入。下文的简化重叠公式和所有数值,都是写明了条件的教学算例,没有拟合原曲线。 链接模型在写明的光源假设下比较延迟、偏振与重叠。

  1. C. K. Hong, Z. Y. Ou and L. Mandel (1987), Measurement of Subpicosecond Time Intervals between Two Photons by Interference, PRL 59, 2044–2046 — scanned copy
  2. A. M. Brańczyk (2017), Hong–Ou–Mandel Interference — author notes, arXiv:1711.00080
  3. J.-W. Pan, D. Bouwmeester, H. Weinfurter and A. Zeilinger (1998), Experimental Entanglement Swapping, PRL 80, 3891–3894
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