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量子光学教学套件

原创 discovery Thorlabs索雷博 2023-06-28 12:03 发表于上海

Thorlabs新推出EDU-QOP1(/M)量子光学教学套件，让学生可以在开放、易用的环境中研究光的量子性质。从生成光子对的type-I BBO晶体到*的单光子探测器，整个实验装置采用自由空间光路，让学生清楚地看到从哪里测量，在何时测量。这个套件特别重要的一个方面是便于理解什么是非经典光源。

套件包含完成量子光学实验需要的所有组件，但光学平台或面包板除外。对于公制产品，我们推荐使用B60120AX面包板和AV5/M隔振支脚。

基础理论

光的量子描述光在量子力学通过电磁场的量子化激发进行描述，而z,u,i小可能的激发为单光子(量子数n = 1)。福克态是具有明确光子数的非经典状态，而经典光则没有明确的光子数。

福克态、相干态和热态的光子数分布 此处三种状态的平均光子数n =5

激光处于某种相干态。对于给定的平均光子数，实际光子数遵循泊松分布。衰减激光只能减小平均光子数，但统计仍呈现泊松分布。因此，衰减的激光无法作为量子实验的单光子源。另外，LED或黑体辐射等其它经典光源通过热态描述，其光子数分布方差还大于激光。

单光子的产生单光子是指光子数n = 1的福克态。产生单光子的方法有很多，但目前多数基于装置简单且工作稳定的自发参量下转换(SPDC)过程，从一个泵浦光子产生两个光子。它们几乎同时产生，通过一个光子可预示另一个光子的存在，从而对单光子进行测量。这也是SPDC光源被称为宣布式单光子源的原因。

EDU-QOP1(/M)套件也使用SPDC单光子源，通过BBO晶体将一个405 nm泵浦光子变成两个810 nm光子。光子对之间有6°夹角。为了简化不可见光的对准过程，我们用锥透镜把对准激光变成一个角度相同的光锥。以可见光作为参考便于对准单光子探测器。

符合计数探测三个SPDMA单光子探测器之间的符合计数通过一个教学级时间标记器分析。如下图所示，对于T通道的每个事件，它会检查A或B通道在前后几纳秒的时间窗口内是否发生了另一个事件。如果发生，T&A或T&B之间就有一次符合计数。如果三个探测器在同一时间窗口内记录到光子就有一次三重符合计数。

三个单光子计数通道

符合计数的定义

对于关联光子对光源，在两路之间测量的符合计数率经常大于非关联光源的情况。在分三路探测的GRA实验中，因为宣布式光子对无法同时在三个探测器上触发计数事件，三重符合计数率接近于零。

基础实验

1.衰减激光HBT (Hanbury-Brown-Twiss)实验使用衰减很大的激光作为光源。光均匀分束后分别由A和B两个探测器接收，然后分析它们的符合计数率。

学生将认识到衰减的激光不是单光子源。有人可能把激光看成一连串发射的光子，通过衰减就能将其变得像一个个单独飞行的点。但这种观点忽视了到达探测器的光子要遵循某种基本统计的事实。衰减激光不会改变统计规律，无法使相干光源变成非经典光源。

2.光子对光源  在BBO晶体中产生的光子对分别由T和A两个探测器接收，通过符合计数表征这种光源的非经典特性。学生将理解BBO晶体产生光子对的同时性。因为一对光子几乎同时到达两个探测器，符合计数率远大于随机光源或热光源的期望值。

3.在光子对光源的一路中重做HBT实验通过阻挡一路光，学生将看到在只测量另一路光时，光仍然表现出经典行为。因为并不是在产生光子对后两路就各有一个单光子源。如果只考虑其中一路，光子数仍遵循经典统计。

4.使用光子对光源重做HBT实验使用三个探测器将实验3扩展为GRA (Grangier-Roger-Aspect)实验，通过T&A、T&B以及三重符合计数率表征光子对的状态。学生将看到在同时测量光子对的两个光子时，一路中的光将表现出非经典行为。

5.使用荧光重做GRA实验学生将看到光的非经典性质来自通过BBO晶体产生的光子对，而不是三个探测器的配置。即使使用相同的探测器配置测量荧光也不会产生非经典光源的结果。

6.马吕斯定律在探测器B前面加一个旋转线偏振片重做GRA实验，分析T&B的符合计数率和偏振片角度的相关性，让学生理解单光子的偏振性质。

在经典波动理论中，偏振片将入射光分成平行和垂直的两个分量。一个被吸收，一个被透过。但对于不可分的单光子，偏振片有什么用呢？在量子光学中，光子的偏振态是不同基态的叠加，而经典波的透过率将由概率取代。如果光子被透过，它保留能量并得到由偏振片设定的偏振态。另一种情况就是光子被吸收。

7.单光子迈克尔逊干涉仪在探测器B前面加一个迈克尔逊干涉仪装置，移动其中一个反射镜并监测T&B的符合计数率。学生通过这个实验可看到单光子也能表现出干涉行为。

光子并非只通过一条路径却不携带另一条路径的信息而无法与自己干涉。使用宣布式单光子源就能观测到干涉条纹。这个装置的平均光子数约为0.02，因此能排除两个光子相互干涉的情况。

8.量子擦除sh,ou先在迈克尔逊干涉仪的两臂中各加入一个偏振片，分别观测两偏振片在平行和正交时的干涉结果。然后在探测器B前加一个45°偏振片重新观测。实验结果表明，虽然两偏振片正交时会产生路径信息并导致干涉消失，但在干涉仪的输出端加一个45°偏振片就能擦除路径信息并恢复干涉。

在未擦除路径信息前，有人可能以为光子须决定走干涉仪的哪一条路径，但这是一种误解。从原理上讲，光子是各种状态的叠加，而且每一个状态只有在被测量后才能出现。没有测量，光子就不需决定走哪一条路径。

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