Conversión descendente paramétrica espontánea

La conversión descendente paramétrica espontánea (también conocida como SPDC , fluorescencia paramétrica o dispersión paramétrica ) es un proceso óptico instantáneo no lineal que convierte un fotón de mayor energía (un fotón de bombeo ) en un par de fotones ( fotones de señal e idler ) de menor energía, de acuerdo con las leyes de conservación de la energía y del momento . Es un proceso importante en óptica cuántica para la generación de pares de fotones entrelazados y de fotones individuales.

Un cristal no lineal se utiliza para producir pares de fotones a partir de un haz de fotones . De acuerdo con la conservación de la energía y el momento , los pares deben tener energías y momentos combinados iguales a la energía y el momento del fotón original. Debido a que el índice de refracción cambia con la frecuencia ( dispersión ), solo ciertos tripletes de frecuencias estarán en fase para que se pueda lograr la conservación simultánea de la energía y el momento. La adaptación de fase se logra más comúnmente utilizando materiales no lineales birrefringentes , cuyo índice de refracción cambia con la polarización. Como resultado, los diferentes tipos de SPDC se clasifican según las polarizaciones del fotón de entrada ( bombeo ) y los dos fotones de salida ( señal e idler ).

• Si los fotones de señal e idler comparten la misma polarización entre sí y con el fotón de bombeo, se considera SPDC de tipo 0. ^{[ 1 ]}
• Si los fotones de señal e idler comparten la misma polarización entre sí, pero son ortogonales a la polarización de la bomba, se trata de una conversión paramétrica descendente espontánea (SPDC) de tipo I.
• Si los fotones de señal e idler tienen polarizaciones perpendiculares, se considera SPDC de tipo II. ^{[ 2 ]}

La eficiencia de conversión de SPDC es típicamente muy baja, con la eficiencia más alta obtenida en el orden de 4 × 10 ⁻⁶ fotones incidentes para niobato de litio polarizado periódicamente (PPLN) en guías de onda. ^{[ 3 ]} Sin embargo, si se detecta una mitad del par en cualquier momento, entonces se sabe que su compañero está presente. La porción degenerada de la salida de un convertidor descendente de tipo I es un vacío comprimido que contiene solo términos de número par de fotones . La salida no degenerada del convertidor descendente de tipo II es un vacío comprimido de dos modos.

En un diseño de aparato SPDC de uso común, un haz láser potente , denominado haz de "bombeo", se dirige a un cristal de BBO (borato de beta-bario) o niobato de litio . La mayoría de los fotones atraviesan el cristal en línea recta. Sin embargo, ocasionalmente, algunos fotones experimentan una conversión descendente espontánea con correlación de polarización de tipo II, y los pares de fotones correlacionados resultantes tienen trayectorias confinadas a lo largo de los lados de dos conos cuyos ejes están dispuestos simétricamente con respecto al haz de bombeo. Debido a la conservación del momento, los dos fotones siempre se ubican simétricamente en los lados de los conos, con respecto al haz de bombeo. En particular, las trayectorias de una pequeña proporción de pares de fotones se encontrarán simultáneamente en las dos líneas donde se intersecan las superficies de los dos conos. Esto da como resultado el entrelazamiento de las polarizaciones de los pares de fotones que emergen en esas dos líneas. Los pares de fotones se encuentran en una superposición cuántica de igual peso de los estados no entrelazados.${\displaystyle \vert H\rangle \vert V\rangle }$y${\displaystyle \vert V\rangle \vert H\rangle }$, correspondientes a las polarizaciones del fotón del lado izquierdo y del fotón del lado derecho. ^{[ 4 ] [ 5 ] : 205}

Otro cristal es el KDP ( fosfato dihidrógeno de potasio ), que se utiliza principalmente en la conversión descendente de tipo I, donde ambos fotones tienen la misma polarización. ^{[ 6 ]}

Algunas de las características de los cristales no lineales de conversión descendente paramétrica eficaces incluyen:

1. No linealidad: El índice de refracción del cristal cambia con la intensidad de la luz incidente. Esto se conoce como respuesta óptica no lineal.
2. Periodicidad: El cristal tiene una estructura regular y repetitiva. Esto se conoce como estructura reticular , que es la responsable de la disposición regular de los átomos en el cristal.
3. Anisotropía óptica (o birrefringencia): El cristal tiene diferentes índices de refracción a lo largo de diferentes ejes cristalográficos.
4. Sensibilidad a la temperatura y la presión: La no linealidad del cristal puede variar con la temperatura y la presión, por lo que el cristal debe mantenerse en un entorno estable de temperatura y presión.
5. Alto coeficiente no lineal: Un coeficiente no lineal elevado es deseable, ya que permite generar un gran número de fotones entrelazados.
6. Alto umbral de daño óptico : Un cristal con un alto umbral de daño óptico puede soportar una alta intensidad del haz de bombeo.
7. Transparencia en el rango de longitud de onda deseado: Es importante que el cristal sea transparente en el rango de longitud de onda del haz de bombeo para lograr interacciones no lineales eficientes.
8. Alta calidad óptica y baja absorción: El cristal debe poseer una alta calidad óptica y una baja absorción para minimizar la pérdida del haz de bombeo y de los fotones entrelazados generados.

La SPDC fue demostrada ya en 1967 por SE Harris , MK Oshman y RL Byer , ^{[ 7 ]} así como por D. Magde y H. Mahr. ^{[ 8 ]} Fue aplicada por primera vez a experimentos relacionados con la coherencia por dos pares independientes de investigadores a finales de la década de 1980: Carroll Alley y Yanhua Shih, y Rupamanjari Ghosh y Leonard Mandel . ^{[ 9 ] [ 10 ]} Se encontró la dualidad entre emisiones incoherentes ( teorema de Van Cittert-Zernike ) y bifotónicas. ^{[ 11 ]}

La SPDC permite la creación de campos ópticos que contienen (con buena aproximación) un solo fotón. Desde 2005, este es el mecanismo predominante para que un experimentador cree fotones individuales (también conocidos como estados de Fock ). ^{[ 12 ]} Los fotones individuales, así como los pares de fotones, se utilizan a menudo en experimentos de información cuántica y aplicaciones como la criptografía cuántica y los experimentos de prueba de Bell .

SPDC se utiliza ampliamente para crear pares de fotones entrelazados con un alto grado de correlación espacial. ^{[ 13 ]} Dichos pares se utilizan en imágenes fantasma , en las que se combina información de dos detectores de luz: un detector convencional de múltiples píxeles que no ve el objeto y un detector de un solo píxel (de cubo) que sí ve el objeto.

El efecto recientemente observado de emisión de dos fotones de semiconductores impulsados ​​eléctricamente se ha propuesto como base para fuentes más eficientes de pares de fotones entrelazados. ^{[ 14 ]} Aparte de los pares de fotones generados por SPDC, los fotones de un par emitido por un semiconductor generalmente no son idénticos, sino que tienen energías diferentes. ^{[ 15 ]} Hasta hace poco, dentro de las limitaciones de la incertidumbre cuántica, se asumía que el par de fotones emitidos estaban ubicados en el mismo lugar: nacen de la misma ubicación. Sin embargo, un nuevo mecanismo no localizado para la producción de pares de fotones correlacionados en SPDC ha puesto de manifiesto que, ocasionalmente, los fotones individuales que constituyen el par pueden ser emitidos desde puntos espacialmente separados. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

• Conversión ascendente de fotones