Beobachtung einer verstärkungsinduzierten Gruppenverzögerung zwischen Multiphotonenimpulsen, die in einer spontanen Abwärtskonvertierungsquelle erzeugt werden

Spontane parametrische Abwärtskonvertierung (SPDC) und spontane Vierwellenmischung sind leistungsstarke nichtlineare optische Prozesse, die Multiphotonenlichtstrahlen mit einzigartigen Quanteneigenschaften erzeugen können. Diese Prozesse könnten genutzt werden, um verschiedene Quantentechnologien zu schaffen, darunter Computerprozessoren und Sensoren, die quantenmechanische Effekte nutzen.

Forscher des National Research Council of Canada und der École Polytechnique de Montréal führten kürzlich eine Studie durch, in der sie die Auswirkungen des SPDC-Prozesses beobachteten. Ihr Papier, veröffentlicht In Briefe zur körperlichen Untersuchungberichtet über die Beobachtung einer verstärkungsinduzierten Gruppenverzögerung in Mehrphotonenimpulsen, die in SPDC erzeugt werden.

„Die Inspiration für dieses Papier kam von der Untersuchung eines Prozesses namens SPDC“, sagte Nicolás Quesada, leitender Autor des Papiers, gegenüber Phys.org. „Es ist übertrieben zu sagen, dass bestimmte Materialien in der Lage sind, ein violettes Photon (aus dem das Teilchenlicht besteht) aufzunehmen und es in zwei rote Photonen umzuwandeln.“

„Dies ist ein äußerst vielseitiges Phänomen, das es Physikern ermöglicht, Licht mit interessanten Korrelationen zu erzeugen, da die beiden roten ‚Tochter‘-Photonen gleichzeitig geboren werden und genau die Energie und den Impuls ihres violetten ‚Mutter‘-Photons haben müssen.“

In den letzten Jahrzehnten stand SPDC im Mittelpunkt zahlreicher physikalischer Studien. Bisher wurde dieser Prozess hauptsächlich in einem bestimmten Regime untersucht, bei dem Forscher während jedes Versuchsdurchlaufs etwa einmal von 100 Mal ein violettes Photon in zwei rote Photonen umwandelten.

„Während meiner Doktorarbeit habe ich untersucht, was passiert, wenn die Wahrscheinlichkeit, zwei Tochterphotonen zu erzeugen, anfängt, sich dem Wert Eins zu nähern, und wenn man dann über diesen Punkt hinaus mehr als ein Paar Photonen für jeden Versuchsdurchlauf erzeugt“, sagte Quesada.

„Wir haben herausgefunden, dass sich die Farbe, in der die Tochterphotonen geboren werden, leicht zu ändern beginnt und dass sich darüber hinaus auch die Effizienz des Prozesses (wie viele ‚rote‘ Photonen pro ‚violettes‘ Photon geboren werden) ändert.“

Als Quesada begann, die Möglichkeit zu erforschen, bei jedem Versuchsdurchgang zwei oder mehr Tochterphotonen zu erzeugen, hatte er noch keine Möglichkeiten gefunden, dies experimentell zu messen. In diesem Jahr bemerkte sein Kollege Guillaume Thekkadath jedoch, dass sich leichte Farbveränderungen auch in unterschiedlichen Ankunftszeiten der Tochterphotonen widerspiegeln könnten, wenn man von der Bildung eines Paares zu einer Bildung vieler Paare übergeht.

„Wir haben beobachtet, dass eine Erhöhung der Anzahl der durch den SPDC-Prozess erzeugten Photonen zu einer Verschiebung der Ankunftszeit der beiden Tochterphotonen führte“, erklärte Thekkadath.

„Um diesen Effekt zu untersuchen, haben wir zwei wichtige Modifikationen am herkömmlichen SPDC-Versuchsaufbau vorgenommen. Erstens verwendeten wir einen Hochleistungslaser, der ultrakurze (Femtosekunden-)Impulse abgeben und seine Energie in extrem kurze Impulse komprimieren konnte. Diese Impulse wurden weiter verstärkt um die hohen Intensitäten zu erreichen, die für die Erzeugung mehrerer Tochterphotonenpaare im SPDC-Kristall erforderlich sind. Zweitens haben wir eine Technik namens „Spektralinterferometrie“ implementiert, um die Ankunftszeiten der Photonen mit hoher Präzision zu messen.“

Thekkadath, Quesada und ihre Kollegen leiteten die von ihrem Hochleistungslaser erzeugten Photonen durch eine mehrere Kilometer lange optische Faser, wodurch der Photonenpuls zeitlich gedehnt wurde. Anschließend verwendeten sie supraleitende Nanodrahtdetektoren, hochempfindliche Geräte, die einzelne Photonen mit außergewöhnlicher zeitlicher Auflösung erfassen können, um die Ankunftszeiten der Photonen aufzuzeichnen.

Die gesammelten Ergebnisse bestätigten das Vorhandensein einer verstärkungsinduzierten Gruppenverzögerung zwischen den in ihrer SPDC-Quelle erzeugten Multiphotonenimpulsen. Diese Beobachtung könnte wichtige Auswirkungen auf die zukünftige Entwicklung von Geräten haben, die Quanteninterferenz nutzen.

„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass man besonders vorsichtig sein muss, wenn man das Licht von SPDC-Quellen stört, die Photonenpaare unterschiedlicher Helligkeit erzeugen (die im Durchschnitt eine unterschiedliche Anzahl von Paaren erzeugen)“, sagte Quesada.

„Wenn man nicht aufpasst und Photonen aus zwei verschiedenen Quellen zu unterschiedlichen Zeiten an einem Interferometer ankommen, sind sie nicht in der Lage, eine quantenmechanische Leistung zu vollbringen, die als Hong-Ou-Mandel-Interferenz bekannt ist. Diese Interferenz ist diejenige, die Quantencomputer ermöglicht Licht, um die Fähigkeiten klassischer Computer zu übertreffen.

Einer der Co-Autoren dieser aktuellen Arbeit, Martin Houde, hat kürzlich versucht, bessere SPDC-Quellen zu entwickeln, bei denen Photonen gleichzeitig austreten, unabhängig von der Helligkeit der emittierten Laserpulse. Quesada und seine Kollegen von der École Polytechnique de Montréal haben außerdem versucht herauszufinden, wie sich die unterschiedlichen Ankunftszeiten von Photonen, die eine Fehlerquelle sein könnten, auf die Funktionsweise photonischer Quantencomputer auswirken.

„Unsere SPDC-Quelle war relativ ‚hell‘ und erzeugte Hunderte von Tochterphotonenpaaren im Vergleich zu den meisten Quellen, die normalerweise nur ein einziges Paar erzeugen“, fügte Thekkadath hinzu.

„Viele dieser Photonen gingen jedoch verloren, bevor sie den optischen Detektor erreichten. Diese Verluste treten aus verschiedenen Gründen auf, beispielsweise durch Reflexionen von optischen Elementen wie Linsen oder durch unvollständiges Einfangen durch die optischen Fasern. Der Verlust eines Photons aus einem Paar ist problematisch, da er die Verbindung stört.“ Quantenkorrelationen, die für Technologien wie quantenverstärkte Sensoren unerlässlich sind.“

Im Rahmen ihrer nächsten Studien versuchen Thekkadath und seine Kollegen vom National Research Council of Canada, Strategien zur Minimierung optischer Verluste in Quantengeräten zu entwickeln. Darüber hinaus versuchen sie herauszufinden, wie die von ihnen untersuchten Photonenpaarquellen unabhängig von den damit verbundenen Photonenverlusten für die Quantensensorik und -berechnung genutzt werden könnten.

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