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한국광학회지

Quantum Interference Experiments with Frequency Entangled Photon Pairs at 1.5 ㎛ Telecommunication Band

Heonoh Kim, Yong Soo Kim, Chun Ju Youn, Seok-Beom Cho

Published Dec 25, 2011• 0 citations
Publisher

Abstract

펨토초 펄스형 자발적 매개하향변환에서 생성된 1.5 ${\mu}m$ 통신파장대역 광자쌍의 진동수 얽힘상태를 구현하고, 광섬유 기반 Hong-Ou-Mandel 간섭계를 이용하여 양자간섭 실험을 수행하였다. 각진동수 ${\omega}_1$ 과 ${\omega}_2$ 에 대응하는 두 광자의 파장은 저밀도 파장분할다중화(coarse wavelength division multiplexing, CWDM) 필터를 이용하여 선택하였고, 간섭계에서 경로차에 따른 두 검출기의 동시계수 측정에서 높은 선명도를 갖는 공간적인 맥놀이 형태의 간섭무늬를 관측하였다. We performed experiments on Hong-Ou-Mandel type two-photon interference with frequency entangled photon pairs at 1.5 ${\mu}m$ telecommunication band generated through femtosecond pulsed spontaneous parametric down-conversion. Two different angular frequencies ${\omega}_1$ and ${\omega}_2$ were selected using CWDM(coarse wavelength division multiplexing) filters at the output ports of the interferometer. The coincidence counting rates were measured with varying path-length difference between the two interferometer arms to observe the two-photon interference patterns of spatial beating. The obtained visibilities in the net coincidence were close to the theoretical limit of 100%.

DOI
10.3807/kjop.2011.22.6.276

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매개하향변환과정에서 발생한 640 nm와 660 nm 파장을 갖는 광자쌍의 진동수 얽힘상태를 이용하여 양자간섭실험을 수행하였다. 두 광자의 파장에 대응하는 각진동수가 각각 $\omega$ $_1$ 과 $\omega$ $_2$ 인 광자쌍을 간섭계의 출구에 놓인 두 검출기로 서로 다른 진동수의 광자들을 동시계수할 때, 광의 결맞음 시간이내에서 두 광자가 빔분할기에 도달하는 시간 간격의 변화 $\delta$ $\tau$ 에 따라 동시계수가 변하는 간섭무늬를 관측하였다. We present a quantum interference experiment with frequency-entangled pairs of photons with wavelength of 640 nm and 660 nm produced in the process of parametric down-conversion. When photon pairs in different angular frequencies $\omega$ $_1$ and $\omega$ $_2$ are registered by two detectors the coincidence counts exhibits a two-photon fringe as a function of relative time delay $\delta$ $\tau$ of two photons within the coherence time depending on the arrangement of the detector pairs.

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The fourth-order interference between entangled state photon pairs with different frequencies

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매개하향변환과정에서 동시에 발생한 서로 다른 진동수의 광자쌍을 이용한 4차 간섭실험에서 비고전적인 맥놀이 효과를 측정하였다. 각진동수가 각각 $\omega1$ 과 $\omega2$ 인 광자쌍을 빔분할기에서 중첩시키고, 빔분할기의 두 출구에 놓인 두 검출기로 동시계수 할 때, 두 광자가 빔분할기에 도달하는 시간 간격에 따라 cos( $\omega1$ - $\omega2$ )의 함수로 동시계수의 변화를 나타내었다. 두 광자의 파장 차이가 41㎚일 때 측정된 맥놀이 진동수 ( $\omega1$ - $\omega2$ )/2 $\pi$ 는 0.29 ${\times}10^{14}$ ㎐이었고, 진동수 차이에 해당하는 두 광자의 시간간격은 34.82fs로 측정되었다. One of the nonclassical effects in two-photon interference experiments, spatial quantum beating, is observed in fourth-order interference with pairs of photons produced by a spontaneous parametric down-conversion process. When photon pairs in different frequencies $\omega1$ and $\omega2$ are mixed together, and directed to two detectors, the coincidence counts exhibit a cosine modulation with difference frequency | $\omega1$ - $\omega2$ |. The measured coincidence counts turned out to have an interference pattern with periodicity of 10.45 ㎛ in position or 34.82fs in time delay, which corresponds to the period 2 $\pi$ /| $\omega1$ - $\omega2$ | for the beat frequency of 0.29 ${\times}10^{14}$ Hz.

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매개하향변환과정에서 발생한 광자쌍과 Hong-Ou-Handel 간섭계를 이용한 4차 간섭실험에서 두 광자가 빔분할기에 동시에 입사할 때 빔분할기의 한 쪽 출구로만 두 광자가 쌍을 이루어 빠져나가는 두-광자의 공간적인 뭉침 효과를 관측하였다. 또한 검출기의 단일광자 시간 분해능보다 짧은 시간에 두 광자가 쌍으로 입사할 때 하나의 검출기에 의한 단일계수와 비교하였다. We present experimental observations of two-photon spatial bunching effect in a two-photon interference experiment by using the photon pairs produced by parametric down-conversion and the Hong-Ou-Mandel interferometer. We show that this pairing behavior is observed by coincidence detection, but gives a negligible effect for a single count.

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Fourth-order interference between perpendicularly polarized beams with different intensities in a HOM interferometer

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매개하향변환과정에서 발생한 광자쌍과 Hong-Ou-Mandel 간섭계를 이용한 4차 간섭실험에서 비고전적인 간섭효과를 관측하였다. 편광방향이 서로 수직인 두 광의 4차 간섭에서 간섭무늬의 선명도가 고전적인 한계인 50%를 넘는 최대 85%의 간섭무늬를 관측하였다. 또한 두 빔의 세기 비율이 증가할수록 간섭무늬의 선명도가 감소하는 고전적인 간섭현상과 달리 두 광의 세기 비율이 1:10인 경우에도 83%의 선명도를 갖는 간섭효과를 측정하였다. We have observed a nonclassical effect in a fourth-order interference experiment with the photon pairs produced by parametric down-conversion and the Hong-Ou-Handel interferometer. For interfering classical fields with orthogonal polarizations, the visibility can be no larger than 50%, and it depends on the ratio of the two beam intensities. It is found that not only is our observed visibility of 85％ well above 50％, but it is also independent of the two beam intensities in coincidence measurements made in a two-photon polarization correlation experiment.

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제 1형의 매개하향변환에서 발생하는 광자쌍과 Hong-Ou-Mandel 간섭계를 이용하여 편광-얽힘 상태의 광자쌍을 선택적으로 발생시키고, 반파장판과 4분파장판을 조합하여 4개의 Bell 상태 $|{\Psi}^{\pm}>,|{\Phi}^{\pm}>$ 를 구현하였다. 동시계수 측정에 의한 각 상태의 평균 선명도는 77%이다. Bell states have been investigated in a Hong-Ou-Mandel interferometer using photon pairs from a type-1 SPDC. The four kinds of the Bell states, $|{\Psi}^+>,|{\Psi}^->,|{\Phi}^+>,|{\Phi}^->$ are created by placing 2 HWPs, 2 QWPs at outputs of the interferometer. They show an average visibility of 77% in the coincidence measurement.

한국광학회지•Feb 25, 2007•0 citations
펨토초 펄스형 자발적 매개하향변환에서 생성된 1.5 μm{\mu}mμm 통신파장대역 광자쌍의 진동수 얽힘상태를 구현하고, 광섬유 기반 Hong-Ou-Mandel 간섭계를 이용하여 양자간섭 실험을 수행하였다. 각진동수 ω1{\omega}_1ω1​ 과 ω2{\omega}_2ω2​ 에 대응하는 두 광자의 파장은 저밀도 파장분할다중화(coarse wavelength division multiplexing, CWDM) 필터를 이용하여 선택하였고, 간섭계에서 경로차에 따른 두 검출기의 동시계수 측정에서 높은 선명도를 갖는 공간적인 맥놀이 형태의 간섭무늬를 관측하였다. We performed experiments on Hong-Ou-Mandel type two-photon interference with frequency entangled photon pairs at 1.5 μm{\mu}mμm telecommunication band generated through femtosecond pulsed spontaneous parametric down-conversion. Two different angular frequencies ω1{\omega}_1ω1​ and ω2{\omega}_2ω2​ were selected using CWDM(coarse wavelength division multiplexing) filters at the output ports of the interferometer. The coincidence counting rates were measured with varying path-length difference between the two interferometer arms to observe the two-photon interference patterns of spatial beating. The obtained visibilities in the net coincidence were close to the theoretical limit of 100%.
매개하향변환과정에서 발생한 640 nm와 660 nm 파장을 갖는 광자쌍의 진동수 얽힘상태를 이용하여 양자간섭실험을 수행하였다. 두 광자의 파장에 대응하는 각진동수가 각각 ω\omegaω 1_11​ 과 ω\omegaω 2_22​ 인 광자쌍을 간섭계의 출구에 놓인 두 검출기로 서로 다른 진동수의 광자들을 동시계수할 때, 광의 결맞음 시간이내에서 두 광자가 빔분할기에 도달하는 시간 간격의 변화 δ\deltaδ τ\tauτ 에 따라 동시계수가 변하는 간섭무늬를 관측하였다. We present a quantum interference experiment with frequency-entangled pairs of photons with wavelength of 640 nm and 660 nm produced in the process of parametric down-conversion. When photon pairs in different angular frequencies ω\omegaω 1_11​ and ω\omegaω 2_22​ are registered by two detectors the coincidence counts exhibits a two-photon fringe as a function of relative time delay δ\deltaδ τ\tauτ of two photons within the coherence time depending on the arrangement of the detector pairs.
We report on two-photon quantum interference experiments in the standard telecommunication band. Two identical photons in the 1.5 mm wavelength band were generated in spatially separated modes by a type-I spontaneous parametric down-conversion process, and injected into a fiber-optic Hong-Ou-Mandel interferometer. Two-photon interference patterns of dip and spatial beating in the coincidence counting rate were observed by varying the difference in optical path lengths. The visibilities obtained in the net coincidences were close to the theoretical value of 100%. The raw visibilities were also well above the classical limit.
매개하향변환과정에서 동시에 발생한 서로 다른 진동수의 광자쌍을 이용한 4차 간섭실험에서 비고전적인 맥놀이 효과를 측정하였다. 각진동수가 각각 ω1\omega1ω1 과 ω2\omega2ω2 인 광자쌍을 빔분할기에서 중첩시키고, 빔분할기의 두 출구에 놓인 두 검출기로 동시계수 할 때, 두 광자가 빔분할기에 도달하는 시간 간격에 따라 cos( ω1\omega1ω1 - ω2\omega2ω2 )의 함수로 동시계수의 변화를 나타내었다. 두 광자의 파장 차이가 41㎚일 때 측정된 맥놀이 진동수 ( ω1\omega1ω1 - ω2\omega2ω2 )/2 π\piπ 는 0.29 ×1014{\times}10^{14}×1014 ㎐이었고, 진동수 차이에 해당하는 두 광자의 시간간격은 34.82fs로 측정되었다. One of the nonclassical effects in two-photon interference experiments, spatial quantum beating, is observed in fourth-order interference with pairs of photons produced by a spontaneous parametric down-conversion process. When photon pairs in different frequencies ω1\omega1ω1 and ω2\omega2ω2 are mixed together, and directed to two detectors, the coincidence counts exhibit a cosine modulation with difference frequency | ω1\omega1ω1 - ω2\omega2ω2 |. The measured coincidence counts turned out to have an interference pattern with periodicity of 10.45 ㎛ in position or 34.82fs in time delay, which corresponds to the period 2 π\piπ /| ω1\omega1ω1 - ω2\omega2ω2 | for the beat frequency of 0.29 ×1014{\times}10^{14}×1014 Hz.
매개하향변환과정에서 발생한 광자쌍과 Hong-Ou-Handel 간섭계를 이용한 4차 간섭실험에서 두 광자가 빔분할기에 동시에 입사할 때 빔분할기의 한 쪽 출구로만 두 광자가 쌍을 이루어 빠져나가는 두-광자의 공간적인 뭉침 효과를 관측하였다. 또한 검출기의 단일광자 시간 분해능보다 짧은 시간에 두 광자가 쌍으로 입사할 때 하나의 검출기에 의한 단일계수와 비교하였다. We present experimental observations of two-photon spatial bunching effect in a two-photon interference experiment by using the photon pairs produced by parametric down-conversion and the Hong-Ou-Mandel interferometer. We show that this pairing behavior is observed by coincidence detection, but gives a negligible effect for a single count.
매개하향변환과정에서 발생한 광자쌍과 Hong-Ou-Mandel 간섭계를 이용한 4차 간섭실험에서 비고전적인 간섭효과를 관측하였다. 편광방향이 서로 수직인 두 광의 4차 간섭에서 간섭무늬의 선명도가 고전적인 한계인 50%를 넘는 최대 85%의 간섭무늬를 관측하였다. 또한 두 빔의 세기 비율이 증가할수록 간섭무늬의 선명도가 감소하는 고전적인 간섭현상과 달리 두 광의 세기 비율이 1:10인 경우에도 83%의 선명도를 갖는 간섭효과를 측정하였다. We have observed a nonclassical effect in a fourth-order interference experiment with the photon pairs produced by parametric down-conversion and the Hong-Ou-Handel interferometer. For interfering classical fields with orthogonal polarizations, the visibility can be no larger than 50%, and it depends on the ratio of the two beam intensities. It is found that not only is our observed visibility of 85％ well above 50％, but it is also independent of the two beam intensities in coincidence measurements made in a two-photon polarization correlation experiment.
제 1형의 매개하향변환에서 발생하는 광자쌍과 Hong-Ou-Mandel 간섭계를 이용하여 편광-얽힘 상태의 광자쌍을 선택적으로 발생시키고, 반파장판과 4분파장판을 조합하여 4개의 Bell 상태 ∣Ψ±>,∣Φ±>|{\Psi}^{\pm}>,|{\Phi}^{\pm}>∣Ψ±>,∣Φ±> 를 구현하였다. 동시계수 측정에 의한 각 상태의 평균 선명도는 77%이다. Bell states have been investigated in a Hong-Ou-Mandel interferometer using photon pairs from a type-1 SPDC. The four kinds of the Bell states, ∣Ψ+>,∣Ψ−>,∣Φ+>,∣Φ−>|{\Psi}^+>,|{\Psi}^->,|{\Phi}^+>,|{\Phi}^->∣Ψ+>,∣Ψ−>,∣Φ+>,∣Φ−> are created by placing 2 HWPs, 2 QWPs at outputs of the interferometer. They show an average visibility of 77% in the coincidence measurement.