Naukowcy z Kanady dokonali przełomowego odkrycia w dziedzinie optyki kwantowej, obserwując zjawisko opóźnienia grupowego indukowanego wzmocnieniem podczas spontanicznej parametrycznej konwersji w dół (SPDC – Spontaneous parametric down-conversion). W tym procesie pojedynczy wysokoenergetyczny foton przekształca się w dwie cząstki o niższej energii, nazywane fotonami córkami. Dotychczas badania koncentrowały się na sytuacjach, w których prawdopodobieństwo takiej konwersji było niewielkie. Jednak zwiększenie intensywności lasera pompującego umożliwiło generowanie wielu par fotonów, co doprowadziło do zauważalnego przesunięcia czasów przybycia fotonów córek.
W celu precyzyjnych pomiarów, zespół wykorzystał laser o wysokiej mocy zdolny do emitowania ultrakrótkich impulsów femtosekundowych. Intensywne impulsy przechodziły przez kryształ SPDC, gdzie dochodziło do generacji wielu par fotonów. Następnie naukowcy wykorzystali technikę interferometrii spektralnej do dokładnego pomiaru czasów przybycia fotonów. Dodatkowo, przepuszczenie wygenerowanych fotonów przez kilkukilometrowe włókno optyczne pozwoliło na rozciągnięcie impulsu w czasie, co ułatwiło detekcję przy użyciu nadprzewodzących detektorów nanodrutowych.
a) Schemat układu eksperymentalnego. BP: filtr pasmowoprzepustowy, LP: filtr dolnoprzepustowy, HWP: płytka półfalowa, PBS: polaryzacyjny rozdzielacz wiązki, 2-SNSPD: dwuelementowy nadprzewodnikowy detektor pojedynczych fotonów z nanodrutów. Kryształ BBO jest używany jako liniowy element optyczny do zwiększenia opóźnienia grupowego między fotonami sygnałowymi i fotonami idlerowymi generowanymi przez ppKTP. Czas detekcji fotonów jest powiązany z ich częstotliwością ze względu na dyspersję we włóknie. (b) Zmierzona zależność opóźnienia grupowego T od wzmocnienia parametrycznego ε. Przerywana linia pozioma przedstawia model analityczny ograniczony do pierwszego rzędu rozwinięcia Magnusa Ω̂₁, w którym oczekiwane opóźnienie grupowe jest równe różnicy prędkości grupowej β₀ = L(vₛ⁻¹ – vᵢ⁻¹)/2. Linia kropkowana-kreskowana to T = β₀ – 24τε²/√3π(12 + ε²) oparta na rozwinięciu Magnusa do Ω̂₃. Zacieniona czarna krzywa to model numeryczny NeedALight [68], gdzie zacieniony obszar reprezentuje 95% przedział ufności. (c) Przykład histogramu koincydencji z rozdzielczością spektralną N(ω₁, ω₂) zmierzonego dla ε = 1,407(3). (d) Transformata Fouriera N(ω₁, ω₂). Skala kolorów pokazuje liczbę zdarzeń na bin zebranych w ciągu pięciu minut. [2]
Opóźnienie grupowe odnosi się do różnicy w czasie przejścia różnych składowych częstotliwościowych sygnału przez dany ośrodek, co może prowadzić do zniekształceń sygnału. W kontekście SPDC, kontrola tego opóźnienia jest kluczowa dla efektywnego generowania i manipulacji splątanymi stanami fotonów, które są fundamentem wielu technologii kwantowych.
Zastosowanie intensywnych impulsów laserowych w badaniach nad SPDC otwiera nowe możliwości w dziedzinie komunikacji kwantowej i kryptografii. Precyzyjna kontrola czasowa fotonów może prowadzić do bardziej efektywnych metod przesyłania informacji, zwiększając bezpieczeństwo i szybkość transmisji danych.
Ponadto, zrozumienie mechanizmów opóźnienia grupowego w procesach wielofotonowych może przyczynić się do rozwoju zaawansowanych technik obrazowania medycznego oraz sensorów o wysokiej czułości, które wykorzystują właściwości kwantowe światła do wykrywania minimalnych zmian w badanych obiektach. Wnioski z tych badań podkreślają znaczenie dalszego eksplorowania nieliniowych procesów optycznych i ich wpływu na rozwój nowoczesnych technologii kwantowych, które mają potencjał zrewolucjonizować wiele aspektów naszego życia.
[1] Tłumaczenie na podstawie: https://phys.org/news/2024-12-gain-group-delay-multiphoton-pulses.html
[2] Publikacja „Gain-induced group delay in spontaneous parametric down-conversion” w ArXiv: https://arxiv.org/pdf/2405.07909