Retraso temporal entre un par de fotones entrelazados

Cuando se generan fotones entrelazados por medio de SPDC de conversión descendente paramétrica espontánea , la suposición habitual es que los dos fotones se crean al mismo tiempo. No he podido encontrar ningún artículo que discuta esta suposición, ni artículos experimentales en los que se haya medido el retraso.

Estoy buscando (A) documentos que discutan lo anterior, o (B) miden lo anterior. Lo que sigue describe lo que estamos haciendo en el laboratorio.

Nuestra configuración es SPDC tipo I que usa un láser de diodo CW de 90 mW que opera a 402 nm, con dos piezas de BBO con los ejes ópticos a 90 grados. Usamos filtros de interferencia de alta eficiencia para eliminar la luz que está lejos de la longitud de onda degenerada, que es de 804 nm.

En nuestro experimento, descubrimos que la eficiencia cuántica (correlación de pares) aumenta muy rápidamente a medida que el intervalo temporal aumenta de unos pocos cientos de picosegundos a unos pocos nanosegundos, aplanándose alrededor de 10 ns. Las estadísticas de Poisson correspondientes para "pares accidentales" deberían crecer linealmente con el aumento de la división temporal, y nuestros experimentos con luz no enredada son consistentes con las estimaciones de la estadística de Poisson.

Por ejemplo, con 135 000 conteos por segundo en el detector 1 y 146 000 conteos por segundo en el detector 2, la estadística de Poisson para la detección de pares es de 95 pares por segundo para agrupamiento de 10 ns, pero la tasa real de pares es de 37 000 pares por segundo, que es una eficiencia cuántica de más del 26%.

La eficiencia cuántica disminuye a medida que se reduce el agrupamiento temporal; a 240 ps, ​​la eficiencia cuántica es de alrededor del 2%.

Nuestro contador de tiempo registra 81 ps por tic; 81 ps de tiempo corresponden a una distancia de (300 um/ps x 81 ps) = 24,3 mm, o aproximadamente una pulgada. 10 ns corresponde a 3 metros, o unos 10 pies. Los detectores de un solo fotón están colocados simétricamente y esencialmente tienen distancias idénticas al cristal BBO, alrededor de 1200 mm.

Actualmente estamos ejecutando algunos experimentos adicionales, recopilando datos para una serie de duraciones temporales de contenedores para que podamos trazar la tasa de aumento con el aumento del tiempo.

¿Qué es el agrupamiento temporal?
¿Cuál es el ancho de banda del láser inicial? Una duración de evento de 10 ns correspondería a un ancho de banda de 100 MHz, que probablemente sea más grande que lo que está ejecutando, pero esa es una fuente posible: su controlador nunca es completamente monocromático o completamente coherente.
@Holger Temporal binning fue bastante fácil de buscar en Google.
El "agrupamiento temporal" es la clasificación de eventos por bloques de tiempo. En nuestro caso, el tamaño mínimo del contenedor está determinado por un reloj de 81 ps. La detección de fotones por parte de ambos detectores durante el mismo intervalo temporal se cuenta como detección de un par de fotones.
@Emilio Pisanty: el ancho de banda medido del láser de diodo es de aproximadamente 1 nm; hay dos picos muy cercanos, separados por menos de 1/2 nm.
Creo que ha calculado incorrectamente la tasa de coincidencia accidental. Debería ser ( 135000 / s ) ( 146000 / s ) ( 10 ns ) = 197 / s .
@EmilioPisanty No creo que el ancho de banda del láser cambie el retraso entre la emisión de los dos fotones, que siempre debe ser cero. Impone una incertidumbre mínima posible sobre la suma de las frecuencias de los dos fotones, por lo que si hay (mucha) dispersión en la configuración, esta es la única forma en que podría verse afectado el intervalo de tiempo entre las detecciones. Pero de todos modos, aquí los anchos de banda de los fotones probablemente estén determinados por los filtros espectrales, no por el láser.

Respuestas (2)

La suposición de que los fotones se crean al mismo tiempo es buena: estás buscando el problema en el lugar equivocado.

Es casi seguro que lo que ha observado se debe a los detalles técnicos de los detectores que está utilizando. Hay un intervalo de tiempo entre el momento en que un detector absorbe un fotón y el momento en que recibe la señal eléctrica que indica que esto sucedió (latencia); más importante aún, este intervalo de tiempo también tiene una variación (inestabilidad). Estos valores pueden ser del orden de nanosegundos según el tipo de detectores que esté utilizando.

Una cosa más: suponiendo que tiene una fluctuación lo suficientemente pequeña como para resolver la sincronización relativa de los eventos en más de 10 ns (muy probablemente la tenga), ¿intentó reajustar la demora relativa entre las señales de los dos detectores después de reducir los tamaños de intervalos de tiempo? Tal vez los contenedores de tiempo de los dos detectores estén "desalineados" por unos pocos nanosegundos: a los 10 ns, los contenedores son tan grandes que esta desalineación no importa.

Esta es la respuesta correcta; está de acuerdo con lo que dijo el proveedor del detector.

Cuando se generan fotones entrelazados por medio de SPDC de conversión descendente paramétrica espontánea, la suposición habitual es que los dos fotones se crean al mismo tiempo. No he podido encontrar ningún artículo que discuta esta suposición, ni artículos experimentales en los que se haya medido el retraso.

Estoy buscando (A) documentos que discutan lo anterior, o (B) miden lo anterior. Lo que sigue describe lo que estamos haciendo en el laboratorio.

Para hablar de fotones y entrelazamiento se necesitan diagramas de Feynman. Aquí hay un diagrama de dos fotones entrelazados:

dos fotos

(a) Diagramas de Feynman del proceso de emisión. Las líneas onduladas indican fotones, las líneas discontinuas indican agujeros y las líneas continuas indican electrones. Los propagadores de electrones de doble flecha describen las funciones de Green resultantes de términos que no desaparecen BCS.

(b) Diagramas de Feynman de los cálculos de la matriz de densidad

Tenga en cuenta que en los diagramas de Feynman de este tipo, el tiempo está en el eje y, pero el eje x es matemático, una variable icónica que representa la formulación matemática de los intercambios de partículas virtuales, no una diferencia de espacio real que cruzar y tomar tiempo.

En general, los desplazamientos virtuales dentro de los diagramas de Feynman no tienen significado en el laboratorio. En este sentido, los dos fotones en la figura básica (a) no tienen desplazamiento de tiempo y, por lo tanto, son coincidentes en su aparición, afaik, sin retraso de tiempo.

Al buscar "diagramas de Feynman para fotones entrelazados de SPDC", descubrí que el término "diagrama de Feynman" se expande en este dominio de investigación, por ejemplo, la figura 5 aquí y la figura 2 aquí . Si el método sigue las reglas del diagrama de Feynman, la conclusión debería ser la misma, no hay una separación espacial predecible entre los dos vértices de emisión (que llevaría tiempo "cruzarse") y los vértices están en el mismo eje de tiempo.

Retraso temporal entre un par de fotones entrelazados
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