بخشی از مقاله
چکیده
هدف از این آزمایش، مشاهده و بررسی درهمتنیدگی کوانتومی حالت های قطبش در جفت فوتون می باشد. در این آزمایش درهمتنیدگی از طریق یک فرآیند غیرخطی به نام تبدیل کاهنده ی پارامتری خود به خود در یک بلور غیرخطی انجام گردیده است. برای تأیید درهمتنیدگی، از یک نسخه اصلاح شده نابرابری بل استفاده گردیده است. اگر استدلال کلاسیک بکار برده شده در این نامساوی نقض شده باشد، درهمتنیدگی حاصل شده است.
با استفاده از آشکارسازهای تک فوتونی بسیار حساس اندازه گیری های لازم برای محاسبه انجام گردیده است. با تنظیمهای بسیار دقیق اپتیکی و الکترونیکی پس از رسیدن پارامتر |S| به ارزش بیش از 2، حدود 2/36، درهمتنیدگی برای این چیدمان تجربی تأیید گردید. علاوه بر روش نامساوی بل، اندازه گیری های انجام شده در زوایای مختلف قطبش زوج فوتون از قانون مالوس پیروی می نمایند که تایید دیگری بر درهمتنیدگی می باشد.
مقدمه
پدیدهی درهمتنیدگی کوانتومی که هیچ مشابهی در فیزیک کلاسیک ندارد، اولین بار توسط اینشتین، پودولسکی و روزن در مقالهی معروف EPR در سال [1] 1953 معرفی گردید. اینشتین معتقد بود وجود پدیدهای همچون درهمتنیدگی از جمله ایرادهای وارد بر مکانیک کوانتومی است. اینشتین و همکارانش بر این باور بودند که با استفاده از متغیر پنهان1 میتوان نظریهی کاملی بدون تأثیرهای ناموضعیت2 به وجود آورد. در سال 1964، جان بل [2] بیان کرد: نظریاتی که براساس اصل موضعیت اینشتین و متغیرl پنهان هستند راه به جایی نمیبرند، چرا که مواضع EPR دربارهی موضعیت با پیشبینیهای مکانیک کوانتومی سازگاری ندارد.
جان بل نشان داد که وجود مدلی مبتنی بر متغیر نهان، برقراری یک نامساوی را میطلبد و این همان نامساوی بل است. درهمتنیدگی بهعنوان یکی از جذابترین و جالبترین وجهههای غیرکلاسیک مطرح است و با توجه به نقشی که این پدیده در علم اطلاعات کوانتومی ایفا میکند، جایگاه مهمی در مطالعات کوانتومی یافته است. در این گزارش یک روش ساده و کاربردی برای تولید فوتونهای درهمتنیده از روش فرآیند تبدیل کاهندهی پارامتری خود به خودی [3] بیان شده و به صورت تجربی در آزمایشگاه به کار گرفته شده است. در این طرح، نتایج آزمایشگاهی به دست آمده که نشان دهندهی تولید فوتونهای درهمتنیده میباشد به صورت کامل ارائه گردیده است.
فوتونهای درهمتنیده
الف - تئوری
حالتهای مختلفی به نام حالتهای کوانتومی بل وجود دارد که در آن جفت فوتونها در همتنیده باشند.
ب - تولید فوتونهای درهمتنیده:
یکی از روشهای تولید فوتونهای درهمتنیده، استفاده از فرآیند تبدیل کاهندهی پارامتری خود به خودی - SPDC - 3 میباشد. در این فرایند یک بلور غیر خطی با برشی خاص همچون 4 توسط
BBO نور آبی 405 نانومتر پمپ میشود و طی فرایند - SPDC - دو فوتون با طول موج 810 نانومتر تولید میشود. از آنجایی که باید قانون پایستگی انرژی و تکانه برقرار باشد قطبش فوتون های تولید شده عمود بر قطبش لیزر پمپ میباشد.
در این حالت با وجود تطبیق فاز مطابق شکل - 1 - ، فوتونهای تولید شده با زاویه سه درجه نسبت به جهت فوتون ورودی از بلور خارج میشوند. از آنجایی که احتمال وقوع فرایند - SPDC - بصورت تقریبی از مرتبهی 10 -12 میباشد به ازای هر 10 12 فوتون پمپی که به بلور برخورد میکند یک جفت فوتون به صورت همزمان تولید میشود که در واقع این احتمال کم تولید فوتونها، این امکان را فراهم میکند که بتوان در آزمایشگاه تک فوتون تولید کرد.
چیدمان آزمایشگاهی
مطابق شکل - 3 - یک لیزر دیودی 405 نانومتر با توان 100 میلی وات با قطبش افقی بعد از عبور از یک تیغه نیم موج و یک قطبنده و دو عدد آینه تخت - جهت تنظیم نور لیزر - به دو بلور BBO که محورهای آنها نسبت به هم نود درجه میباشد، تابیده میشود. در زوج بلور کسر بسیار کوچکی از فوتونهای باریکه لیزری به صورت همزمان به دو فوتون با طول موج810 نانومتر تبدیل
میشود و هر کدام در زاویهی سه درجه نسبت به باریکه اصلی لیزر، منتشر میشوند. جفت فوتونهای تولید شده هر کدام پس از عبور از یک تیغه نیم موج 810 - نانومتر - ، بیم اسپلیتر قطبیده و فیلتر بالاگذر 760 نانومتر به داخل فیبر اپتیکی چند مد تزویج میشوند.
شکل : 3 چیدمان آزمایشگاهی مربوط به تولید فوتونهای درهمتنیده با روش فرآیند تبدیل کاهندهی پارامتری خود به خودی - SPDC - در دو بلور به هم چسبیده با زاویه نود درجه نسبت به همدیگر.
خروجی هر کدام از این فیبرها به آشکارسازهای تک فوتون وصل میشوند. این آشکارسازها بازای آشکارسازی هر فوتون دریافت شده، پالسهای الکتریکی مربعی با پهنای 25 نانوثانیه و دامنهی 4,5 ولت تولید میکنند و در موقع آشکارسازی هر فوتون در برابر رسیدن فوتونهای دیگر عکس العملی نشان نمیدهند.
در نهایت، خروجی دو آشکارساز وارد مدار شمارش همزمان ساخته شده در طی مراحل این طرح با دقت 20 نانوثانیه میگردد. در این مدار، در یک بازه زمانی مشخص به صورت مستقل در هشت کانال تعداد پالس های وارد شده از هر آشکار ساز تک فوتونی شمرده میشود. در شکل - - 4 چیدمان آزمایشگاهی و مسیر شماتیک فوتونها به همراه اسامی ادوات اپتیکی بکار برده شده در این آزمایش نشان داده شده است.
اثبات درهمتنیده بودن فوتونها
روشهای مختلفی برای نشان دادن وجود درهمتنیدگی بین جفت فوتونهای تولید شده وجود دارد. در این قسمت به دو روش اشاره و نتایج اندازه گیری مورد بررسی قرار میگیرد.
الف - قانون مالوس:
اگر فرض کنیم دو فوتون ایجاد شده در فرایند SPDC به سمت دو قطبنده فرستاده شوند احتمال عبور فوتونها به صورت همزمان برحسب زاویهی قطبش قطبنده ها به صورت زیر محاسبه میگردد.
