Strahlteilungs‐ und Interferenzexperimente mit Photonenpaaren

Abstract

Den Annalen der Physik zum 200. Geburtstag gewidmet I n h a l t s u b e r s i c h t . Wir fuhren eine Reihe vonklementaren OptischenExperimenten mit einem rlichtklassischen Lichtfeld durch, das iiber pilrametrische Fluoreszenz erzeugt wird und die Besonderheit aufweist, daR die Photonen ausschliefilich paarweise auftreten. Beim Auftreffen auf einen vcrlustfreien, t.ei1durchlSssigen Spiegel werden die Photonen eines Paares gemiil3 einer Binomiillverteilung auf das reflekticrte und das trnnsmittierte Bundel verteilt. Dieses Ergebnis ist unabhlingig vom Koharenzgrad. Die beobachtete Invarianz der Verteilung kiinn auf eine Balmce zwischen quantenmechanischen Stimulations-und Interferenzeffekten in den Ein-und dusgangsarmen des Strahlteilers zuriickgefuhrt werden. Beim zwcimaligen Durchlaufen eines Strahlteilers in einem Michelson-Interferomrter treten Interferenzen zwischen den verschiedenen moglichen Zweiphotonenzustanden im Interferometer auf. Das Korreliltions-Interferogramm fur Photonenpailre besitzt eine hohere Auflijsung ids das Intensitats-Interferogramm fur die Transmission einzelner Photonen. Wir deuten dieses Verhalten als quantenmechanische Interferenz zwischen der groderen Zalil von Mijglichkeiten, die ein Photonenpaar im Vergleich zu einzelnen Photonen hat, das Interferometer zu durchlaufen. Die Anwmdung dicser uberlegungen auf Lichtfelder mit Paaren von Photonen unterschicdlicher Energie fiihrt zu Korrelations-Interferogrommen, die deutlich von den rnit klassischen Feldern aufgenommrnen Interferogrammen abweichen.A b s t r a c t . We perform a series of elementary optical experiments with a nonclassicd lightfield generated in the process of spontaneous parametric down-conversion. This lightfield consists of photon pairs only. When the photon pairs fall on a lossless beam splitter the photons are distributed among the trnnsmitted and reflected beam according to the binomial distribution. The result is indeprndent of the degree of coherence. The invariance of the distribution can be understood as a balance between quantum mechanical stimulation and interference effects in the input and output arms of the beam splitter. In application to D Michelson interferometer in which the beam splitter is passed twice we have to consider interferences between the possible two-photon states. Compared to conventional Michelson interferograms the measured correlation interferogram for photon pairs exhibits a higher resolution. We explain this behavior MI due to quantum mechanical interference between the larger number of ways a photon pair can traverse the interferometer compared to single photons. Applied to lightfields in which the photons of a pair have different energies these considerations lead to correlation interferogrilms which differ significautly from those recorded with classical lightfields.

Geometric phases in two-photon interference experiments

“…Summing up the probability amplitudes for the four possible ways the pairs can choose to pass the interferometer [15,16], we obtain, using a single-mode approximation, P (6 6 =4r r [I +c os(8+8")][1+cos (8 -8")]. (4) Again, the joint transmission probability is given by the product of the probabilities for the single signal and idler photons.…”