宏观领域的光场经典关联与量子纠缠

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本论文以多模热光和低增益自发参量下转换产生的双光子纠缠态为例,研究经典关联和量子纠缠之间的联系与区别.二者之间在关联形式上的相似性表明经典热光可以模仿双光子纠缠的某些性质,如亚波长干涉、鬼干涉和鬼成像.由于自发参量下转换过程动量守恒,在双光子纠缠态中,相互关联的两个光子有相反的横向波矢.多模热光场含有大量光子,各模式之间统计独立,只有相同波矢的光场之间存在关联.热光场的关联发生在正频场和负频场之间,它包含背景项,降低测量的分辨率和可见度.经研究发现,对于一般增益的自发参量下转换光,无论信号光还是闲置光都属于类热光.所以在一般增益的自发参量下转换过程中,既有量子纠缠的贡献,也有经典热光关联的贡献.对于Ⅰ型参量下转换晶体,双光子纠缠和经典热光关联效应可以同时出现在联合强度测量之中.对于Ⅱ型晶体,只要取出其中的一束光(信号光或闲置光)作为研究对象,就可以观察到经典热光效应.量子纠缠的亚波长干涉(或量子刻录)效应需要用双光子探测器测量,或者把关联光子对分开,利用两个单光子探测器在同一横向位置(x<,1>=x<,2>)作双光子符合测量.热光的亚波长干涉效应需要用两个探测器在相对于双缝的对称位置(x<,1>=-x<,2>)上进行联合强度测量.理论分析表明,在高增益的Ⅰ型晶体自发参量下转换过程中,可以用不同的测量方式获得双光子纠缠和经典热光关联的亚波长干涉效应.我们利用He-Ne激光照射到旋转的毛玻璃上,获得空间随机分布的类热光源,证实了热光场的亚波长干涉效应.量子纠缠的鬼干涉图样分布与两个关联光子传播的纵向距离之和有关,热光的关联干涉图样分布与两个关联光场传播的纵向距离之差有关.利用高增益的Ⅰ型自发参量下转换晶体,在相同输出平面的联合强度测量中可以同时获得双光子纠缠鬼干涉和经典热光关联干涉条纹,它们可以通过条纹中心位置和条纹间距识别.量子纠缠和经典热光的鬼成像效应服从不同的高斯透镜成像公式,所以关联像的成像位置和属性也不尽相同.在高增益Ⅰ型晶体的自发参量下转换过程中,这两种关联像可以同时出现,我们设计两种成像方案详细研究了两个关联像随成像装置改变的各种变化行为,并给出了直观的几何光学成像光路图.我们最后讨论了光学参量放大器(OPA)中入射信号为单模相干态光场的双缝干涉.利用光学参量放大器(OPA)可以获得强度放大的单光子双缝干涉图样.在Ⅰ型OPA中,无论单光子还是双光子干涉图样,除了每束光自己的干涉外,还存在信号光和闲置光之间的"附加干涉".
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