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关联光学新进展


□ 汪凯戈 曹德忠 熊 俊

  摘 要文章综述了利用光学自发参量下转换过程产生的纠缠双光子态和热光源的空间关联性,实现“鬼”成像、“鬼”干涉、亚波长干涉和非定域双缝干涉等实验的研究进展,以及其中涉及的争论问题.
  关键词双光子纠缠,热光关联,量子成像
  
  Progress in correlated optics
  WANG Kai\|Ge1,CAO De\|Zhong2XIONG Jun1
  (1 Department of Physics, Applied Optics Beijing Area Major Laboratory, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)
  (2 Institute of Science and Technology for Opto\|Electronic Information, Yantai University, Yantai 264005, China)
  
  AbstractWe discuss in brief some interesting optical experiments based on intensity correlation measurement, such as ghost imaging, ghost interference, sub\|wavelength interference and nonlocal double\|slit interference, performed with both entangled two\|photon states generated by spontaneous parametric down\|conversion, and with thermal light. Some debates in this topic are also mentioned.
  Keywordstwo\|photon entanglement, correlation of thermal light, quantum imaging
  
  1 引言
  
  光学成像和干涉是我们熟知的基本物理现象,它反映了波的本性.自上世纪80年代以来,在对非线性晶体的自发参量下转换过程产生的双光子纠缠态进行的理论和实验研究中,发现了一些新的光学现象,如“鬼”成像、“鬼”干涉和亚波长干涉等.这些奇特的物理效应更新了我们对光现象认识的传统观念,为开拓新的光信息技术提供了可能.由于光源具有量子纠缠特征,人们自然将之归于量子纠缠态的非定域性(nonlocality).另一方面,干涉要求光源具有相干性.最近一系列的研究结果表明,“鬼”成像、“鬼”干涉和亚波长干涉也可以用非相干的热光源通过强度关联来实现.这种相似性引发了关于量子纠缠和经典关联的争论,这也是自电子顺磁共振Einstein-Podolsky-Rosen(EPR)理论[1]提出以来,物理学界经久不息的议题的延续.
  新现象的观察是基于强度涨落的关联测量(对双光子态而言,称为符合测量),而不是强度本身.实际上强度关联的方法早在半世纪前就由Hanbury-Brown和Twiss(HBT)提出[2],用以替代迈克尔孙干涉仪测量星体的角尺寸.为此我们将基于强度关联的光学现象称为关联光学.有些学者称其为双光子成像或量子成像.
  
  2 关联光学的基本原理
  
  传统的光学观察是基于光场的强度分布测量.关联光学则基于光场的强度的关联测量,测量装置如图1所示.从光源发出的光被分束器分成两部分:一部分经过参考系统,用脉冲响应函数h1(x1, x0)表示;另一部分经过信号系统,用脉冲响应函数h2(x2, x0)表示.光源输出平面、参考系统和信号系统探测平面的横向位置坐标分别用x0,x1和x2表示.光场强度关联测量由两个系统输出平面上的探测器分别记录强度,输入关联器作乘法运算,再对乘积进行多次平均后得到强度关联分布.
  
  输出光场的关联性质取决于光源光场的关联.当E1和E2可以对易时(例如对于满足经典统计的光场或满足x1≠x2的量子光场),该二阶关联函数等同于强度关联,即G(2)(x1,x2)=〈I1(x1)I2(x2)〉.比较(2)式和(3)式可以看出,一般情况下,〈I1(x1)I2(x2)〉≠〈I1(x1)〉〈I2(x2)〉,称为光场具有强度关联,否则称两光场的强度独立.显然在强度独立的情况下,二阶关联函数不可能给出任何多于强度本身的信息,例如相干光源就属于这种情况.然而对于某些光源来说,光路中的信息在强度分布中被抹去,却可以在强度关联中再现,这是关联光学的物理基础.下面我们先介绍双光子纠缠源的关联光学.
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