Nonlinear engineering of Hong-Ou-Mandel interference with structured light

Licht wordt vaak beschouwd als een stroom van kleine, onafhankelijke deeltjes, maar in de kwantumwereld kunnen fotonen met een verrassende eenheid samenwerken. Wanneer twee identieke fotonen op exact hetzelfde moment aankomen bij een speciale spiegel, een beam splitter genoemd, stuiteren ze niet simpelweg in willekeurige richtingen weg. In plaats daarvan hebben ze de neiging om aan elkaar te blijven plakken en via dezelfde poort de eenheid te verlaten. Dit fenomeen, bekend als het Hong-Ou-Mandel-effect, is een kenmerk van de kwantummechanica. Het rust volledig op het feit dat de twee fotonen ononderscheidbaar zijn; als ze op elke manier identiek zijn, gedragen ze zich als één enkele eenheid. Echter, als de fotonen verschillen in hun interne structuur of symmetrie, verbreekt deze eenheid en kunnen ze uiteenvallen, waarbij ze via verschillende poorten naar buiten gaan. Dit delicate evenwicht tussen samenkomen en scheiden is niet slechts een curiositeit; het dient als een krachtig instrument om de eigenschappen van licht en materie met extreme precisie te meten, wat een venster biedt op de fundamentele aard van de werkelijkheid.

Onderzoekers aan het Institut National de la Recherche Scientifique in Canada hebben dit concept nu verder voortgestuwd door de vorm van het licht die wordt gebruikt om deze fotonparen te creëren, te manipuleren. In hun werk onderzochten zij hoe de symmetrie van een laserstraal de gedragingen van de fotonen die het genereert, beïnvloedt. Normaal gesproken beheersen wetenschappers de interactie tussen fotonen door de aankomsttijden aan te passen of hun kleuren te filteren. In deze studie kozen het team voor een andere aanpak: zij vormden de laserstraal zelf voordat deze een kristal binnenging dat de straal in paren fotonen splitst. Door gebruik te maken van een apparaat genaamd een ruimtelijke lichtmodulator, konden zij het patroon van de lichtstraal draaien en vervormen, waardoor de "vorm" van het licht effectief werd geroteerd. Zij ontdekten dat de manier waarop deze gevormde stralen roteren bepaalt of de resulterende fotonen samenkomen of uit elkaar gaan, wat een uniek interferentiepatroon creëert dat fungeert als een vingerafdruk van de specifieke vorm van het licht.

Het team concentreerde zich op twee specifieke families van lichtpatronen, bekend als Hermite-Gaussische en Laguerre-Gaussische modi. Dit zijn geen eenvoudige, ronde lichtstralen, maar complexe structuren met duidelijke vormen, zoals rechthoeken met variërende aantallen donkere en heldere banden, of spiralen met een centrale donkere kern. Wanneer de onderzoekers hun kristal pompten met een Hermite-Gaussische straal en deze langzaam roteerden, observeerden zij een fascinerende transitie. Terwijl de straal draaide, schakelden de fotonen van samenkomen naar uiteenvallen, en weer terug. De snelheid en scherpte van deze overgang hing volledig af van de complexiteit van de vorm van de straal. Voor eenvoudigere stralen was de transitie geleidelijk. Maar naarmate de onderzoekers de complexiteit van het patroon verhoogden, door meer banden en hogere orden van structuur toe te voegen, werd de transitie ongelooflijk scherp. De fotonen bleven de meeste tijd gebundeld tijdens de rotatie, om vervolgens over een zeer kleine hoek plotseling over te schakelen naar uiteenvallen. Dit suggereilt dat men door gebruik te maken van complexere lichtpatronen sensoren kan bouwen die uiterst gevoelig zijn voor de kleinste veranderingen in rotatie.

In een parallel experiment onderzocht het team stralen die een draaiende beweging met zich meebrengen, bekend als orbitale impulsmoment. Deze stralen, wanneer zij op een specifieke manier worden gecombineerd om zogenaamde "bloembladmodi" (petal modes) te vormen, produceerden een ander soort signaal. In plaats van een scherpe overgang, oscilleerde het interferentiepatroon als een golf terwijl de straal roteerde. Cruciaal was dat de frequentie van deze golf recht evenredig toenam met de mate van draaiing in het licht. Een straal met een hogere mate van draaiing zorgde ervoor dat het interferentiepatroon binnen dezelfde rotatie vaker door zijn pieken en dalen cyclde. Dit gedrag weerspieelt de prestaties van een beroemd type kwantumtoestand bekend als een NOON-toestand, die bekend staat om zijn vermogen om de meetprecisie te verbeteren. De onderzoekers ontdekten dat door de draaiing in hun licht te verhogen, zij effectief hun vermogen om rotatie te detecteren konden vermenigvuldigen, waarbij zij een niveau van gevoeligheid bereikten dat schaalt met de complexiteit van de lichtstructuur.

De experimentele opstelling omvatte een continu-golf laser werkend op een golflengte van 405 nanometer, die werd gevormd en vervolgens in een kristal van bèta-bariumboorataat werd gericht. Dit proces genereerde paren fotonen bij 810 nanometer, die vervolgens via een reeks lenzen en filters werden geleid voordat ze bij een beam splitter samenkwamen. De onderzoekers maten zorgvuldig de coïncidentie van deze fotonen — het tellen van hoe vaak zij gelijktijdig bij de detectoren aankwamen — terwijl zij de pompstraal in stappen van vijf graden roteerden. Zij observeerden dat voor de Hermite-Gaussische modi de transitie van bundling naar anti-bundling scherper werd naarmate de modusorde toenam, waarbij de hoogste orden een duidelijke plateau in het signaal vertoonden. Voor de Laguerre-Gaussische bloembladmodi bevestigden zij dat de oscillatiefrequentie van het signaal lineair toenam met het orbitale impulsmoment, waarbij zij tot zes cycli bereikten voor de hoogste orde die zij testten.

Een onverwachte bevinding in de studie was het gebruik van multi-mode optische vezels om de fotonen aan het einde van het experiment te verzamelen. Typisch gebruiken wetenschappers single-mode vezels om te garanderen dat er slechts een specifieke, eenvoudige vorm van licht wordt gedetecteerd, wat de helderheid van de interferentie maximaliseert. Echter, de behoudswetten die de generatie van deze fotonparen beheersen, betekenden dat een pompstraal met een hogere orde geen paar eenvoudige, ronde fotonen kon produceren die in een single-mode vezel zouden passen. In plaats daarvan moest het team multi-mode vezels gebruiken, die een breed scala aan vormen accepteren. Ondanks dit observeerden zij nog steeds interferentie met een hoge contrast, waarbij de zichtbaarheidsmetingen in veel gevallen de 70 procent overschreden. Dit demonstreerde dat de kwantuminterferentie robuust genoeg was om te overleven, zelfs wanneer de fotonen niet werden gefilterd tot een enkele, eenvoudige vorm.

De implicaties van dit werk reiken verder dan het onmiddellijke experiment. Het vermogen om de symmetrie van fotonparen te controleren via de vorm van de pompstraal opent nieuwe wegen voor kwantumsensoren. De scherpe transities die in de Hermite-Gaussische experimenten werden waargenomen, suggereren een pad naar rotatiesensoren die veel gevoeliger zijn dan de huidige technologie toelaat. Evenzo wijst de frequentieschaalbaarheid gezien in de Laguerre-Gaussische experimenten op een methode om de hoekresolutie te verbeteren zonder de noodzaak van complexe verstrengelde toestanden. De onderzoekers merkten op dat deze digitale controle over het interferentiepatroon uiteindelijk als een fysieke laag voor computerberekeningen zou kunnen dienen, waarbij de vorm van het licht zelf logische operaties uitvoert. Door de geometrie van het licht te beheersen, heeft het team aangetoond dat de regels van kwantuminterferentie herschreven kunnen worden, waarbij het eenvoudige proces van het roteren van een straal wordt omgevormd tot een krachtig instrument voor meting en informatieverwerking.