מה רונן חוקר

As quantum applications mature, it becomes increasingly important to generate quantum light with high purity and very precise properties. A promising approach for doing so is by specially tailoring the poling of the nonlinear crystals that generate them. Check out my new blog post "Tailoring Quantum States with Aperiodic Poling", that I wrote for Raicol Crystals . https://raicol.com/tailoring-quantum-states-with-aperiodic-poling Let me know what you think, and if there are similar topics you would like me to write about :)

  "For the SPDC process to be efficient, both energy and momentum must be conserved. In an ideal scenario without chromatic dispersion, phase matching would work trivially, since the frequency and wavevector are simply related by a factor of the speed of light. However, real optical materials exhibit chromatic dispersion..." Check out my new blog post "Quasi phase matching with periodic poling", that I wrote for Raicol Crystals . https://raicol.com/quasi-phase-matching-with-periodic-poling Let me know what you think, and if there are similar topics you would like me to write about :)

  "One of the most remarkable features of quantum theory is entanglement, where quantum systems show nonlocal correlations between particles or photons that are impossible to explain using classical physics. Specifically, high-dimensional spatially entangled states can be generated using SPDC, and can be shaped using spatial light modulators..." Check out my new blog post "Introduction to spatial entanglement in SPDC", that I wrote for Raicol Crystals . https://raicol.com/introduction-to-spatial-entanglement-in-spdc Let me know what you think, and if there are similar topics you would like me to write about :)

  "The Hong-Ou-Mandel (HOM) effect is a cornerstone of modern quantum optics. The HOM effect considers a simple experiment, where two identical photons enter two ports of a beam splitter..." Check out my new blog post about "Using the Hog-Ou-Mandel effect for imaging", that I wrote for  Raicol Crystals. https://raicol.com/using-the-hog-ou-mandel-effect-for-imaging Let me know what you think, and if there are similar topics you would like me to write about :)

"One of the most beautiful experiments with SPDC light is that of induced coherence. It has originally been demonstrated and analyzed by Zou, Wang, and Mandel in 1991, and is discussed and utilized to this day. In this experiment..." Check out my new blog post about "Induced coherence and imaging with undetected photons", that I wrote for  Raicol Crystals . https://raicol.com/induced-coherence-and-imaging-with-undetected-photons Let me know what you think, and if there are similar topics you would like me to write about :)

  בפוסטים הקודמים הסברנו את הרעיון של pump shaping , וראינו את התוצאות מהמעבדה. באופן כללי האינטואיציה שלנו לא טובה כל כך בלהבין מה יקרה לקורלציות בין פוטונים, ויותר קל לנו לחשוב על סתם לייזר והעצמה שלו. מסתבר שקיימת תמונה אנלוגית בה במקום לחשוב על קורלציות בין זוגות פוטונים אפשר לחשוב על ניסוי קלאסי עם לייזר. בתמונה זו מדידה של העצמה של הלייזר תיתן לנו את אותה התוצאה כמו מדידה של הקורלציות בין הפוטונים. לתמונה קוראים תמונת קלישקו, והיא הולכת ככה (ראו איור למטה): התמונה הקוונטית ה"אמיתית" היא שבתהליך לא ליניארי נוצרים לי בגביש זוג פוטונים, כל פוטון מתקדם לכיוון אחר, עובר בדרך כל מיני דברים, ובסוף אנחנו מודדים את הקורלציות ביניהן עם שני גלאי פוטונים בודדים. מסתבר שאם את אחד מהגלאים נחליף במקור לייזר, את הגביש נחליף במראה, ואת הגלאי השני הסורק נחליף במצלמה, אז התמונה שנצלם במצלמה תהיה בדיוק מה שנראה אם היינו מודדים את הקורלציות! תחת תנאים מתאימים מדובר ממש בזהות מתמטית. בניסוי שלנו אז זוגות הפוטונים עוברים דרך משהו שמדמה אטמוספירה טורבולנטית, ובתמונת קלישקו אפשר לחשוב מה...

  בפוסט הקודם הראינו ש pump shaping אכן עובד, ואנחנו יכולים לבצע אופטימיזציה על ה pump , וזה מתקן גם את הקורלציות הקוונטיות בין הפוטונים השזורים של ה SPDC . כעת נציג שתי תוצאות נוספות שמוסיפות על הקודמות. סיפרנו שאנחנו משתמשים ב SLM כדי לתקן את הפיזור שנגרם מהאטמוספירה, ואחרי התיקון יש לנו קורלציות חזקות וממורכזות. פעמים רבות נרצה לקודד מידע בקורלציות המרחביות. נוכל למשל לומר שאנחנו רוצים קורלציות בצורה של שתי נקודות, כאשר שתי נקודות במאוזן או במאונך ייצגו 0 או 1. אז מה שנוכל לעשות זה להשתמש באותו ה SLM שמבצע את התיקון לאטמוספירה גם כדי לעצב את הקורלציות ולקודד את האינפורמציה. בתמונה למטה ניתן לראות שקודדנו למשל "0" במוד מרחבי גבוה של הקורלציות, והעברנו אותו בצורה מתוקנת דרך האטמוספירה הטורבולנטית. נחמד!   התוצאה האחרונה במחקר הזה קשורה לעובדה שהאטמוספירה היא לא סטטית עומדת במקום, אלא כל הזמן זזה! למעשה, מסתבר שדרך לא רעה לתאר את הדינמיקה של האטמוספירה היא בתור "אטמוספירה קפואה" שרק זזה עם הרוח, כשכל המבנה של הוריאציות במקדם השבירה נשאר בגדול קבוע. אז סימלצ...

בפוסטים הקודמים הסברנו את הרעיון של pump shaping , והסברנו באופן איכותי למה זה הגיוני שהשיטה תעבוד. עכשיו נראה שזה לא רק נפנופי ידיים, אלא ממש מה שאנחנו מודדים במעבדה! הסברנו שהפיזור שעובר ה pump זהה לפיזור של הקורלציות של זוג הפוטונים האדומים. ממילא אנחנו מצפים שאם נשלח את ה pump יחד עם הפוטונים השזורים דרך אטמוספירה טורבולנטית, אז תבנית ה speckles של ה pump תהיה זהה ל two photon speckle של ה SPDC . וזה בדיוק מה שאנחנו רואים בתמונה הראשונה כאן למטה :) אנחנו רואים איכותית למשל את שלוש הנקודות הבוהקות יחסית בצורה של משולש. חדי העין יבחינו שאמנם הצורה דומה, אבל הגדלים האבסולוטיים הם שונים (צירים ויחידות זה חשוב!). הסיבה היא שגודל של ספקל (או של כל פיצ'ר בתמונה) מוגבל על ידי גבול הדיפרקציה שתלוי באורך הגל. מכיוון שאורך הגל האדום ארוך פי שתיים מהכחול, אז אמנם הצורה של הפיזור זהה, אבל קיים scaling של כל המרחב בפקטור 2. אז אנחנו רואים שה two photon speckle באמת מתנהג כמו ה pump , אז כנראה שגם אם נבצע אופטימזיציה ועכשיו ה pump יהיה מפוקס, אז גם ה two photon speckle יתפקס ויח...

  בפוסט הקודם הסברנו את הרעיון של pump shaping , בו אנחנו שולחים את ה pump יחד עם הפוטונים השזורים דרך האטמוספירה, וכל תהליך האופטימיזציה של ה wavefront shaping קורה על ה pump הקלאסי החזק, ובאופן קסום כשהקרן של ה pump מתפקסת יפה, אז גם הקורלציות חוזרות להיות מתוקנות וחזקות. במחשבה ראשונה זה מאוד מפתיע שהסיפור הזה עובד. הרי אם נשלח לייזר כחול דרך אטמוספירה, או לייזר אדום דרך אטמוספירה, אז נקבל תבניות speckles מאוד שונות! זה קורה בגלל שהתהליך של הפיזור מאוד תלוי באורך גל. אז איך זה שאנחנו מתקנים את ה pump הכחול, וזה מתקן את הפוטונים האדומים? כדי להבין את זה צריך לשים לב שמה שאנחנו מתקנים ב pump זה את *העצמה* שלו, ומה שאנחנו רוצים לתקן במקרה של הפוטונים השזורים זה את *הקורלציות* שלהם. מדידת עצמה זה תהליך של פוטון אחד שצובר פאזה, אבל כשמודדים קורלציות אז צריך להתחשב בפאזה שנצברת על ידי *שני הפוטונים*. עכשיו זה אמנם נכון שפוטון אדום צובר פאזה מאוד שונה מפוטון כחול, אבל *שני פוטונים אדומים ביחד צוברים פאזה (ומתפזרים) כמו פוטון כחול אחד*. זה מסביר למה הפיזור (וממילא גם התיק...

  אחרי שדיברנו כבר המון על חומרים מורכבים, על שיטות של wavefront shaping קלאסי באמצעות SLM ואנחנו מבינים כבר מה הכוונה במדידת קורלציות מרחביות – אנחנו מוכנים להסביר את הרעיון של המחקר שלי! בניסוי אנחנו מייצרים פוטונים שזורים מרחבית באמצעות SPDC (3.5), ומעבירים אותם דרך משהו שמדמה אטמוספירה טורבולנטית (2.6). המעבר גורם לקורלציות הקוונטיות ביניהן להתערבל ומקבלים two-photon speckle (3.6). אנחנו רוצים להשתמש בשיטות של wavefront shaping קלאסי (2.5) באמצעות SLM (2.1). מערכת קלאסית של wavefront shaping נראית כמו איור a למטה: יש לייזר שעובר דרך תווך מורכב, קיים feedback של מצלמה בצד השני, ומעצבים את האור באמצעות SLM . הכללה פשוטה למקרה הקוונטי ולקורלציות המרחביות מתואר ב b : נייצר את הפוטונים השזורים באמצעות SPDC , ומיד ניפתר מה pump (הלייזר בו השתמשנו כדי לייצר את זוגות הפוטונים) על ידי מראה דיכרואית ששולחת אורכי גל שונים לכיוונים שונים. נעביר את הפוטונים דרך התווך המורכב, ה feedback יהיה מדידת קורלציות במקום מצלמה, ונשתמש ב SLM כדי לעצב את הקורלציות בין הפוטונים. הבעיה עם...

  בפוסט הקודם הסברנו איך אנחנו יוצרים זוגות של פוטונים שזורים מרחבית, ואמרנו שקיימות ביניהם קורלציות חזקות במיקום ובתנע. נסביר איך אנחנו מודדים קורלציות כאלה, ספציפית בשדה הרחוק (=בצד השני של עדשה). הטענה שלנו היא שמשימור תנע, אם פוטון אחד נפלט בזווית X , אז בן הזוג שלו ייפלט בדיוק בזווית מינוס X , ולכן סכום הזוויות שלהם יהיה תמיד 0. במדידת קורלציות (או coincidence ) יש לנו שני גלאי פוטונים בודדים, ואנחנו בודקים האם הגיעו פוטונים לשני הגלאים בדיוק בו זמנית (ברזולוציה של כמה ננו שניות). ההנחה שלנו היא שאם פוטונים מגיעים בדיוק באותו הזמן זה כי הם בני זוג שזורים. לפי מה שתיארנו, אנחנו מניחים שבהינתן שהגיע פוטון לגלאי אחד שנמצא בזווית X , אז הגלאי השני ימדוד פוטון בו זמנית אך ורק כשהוא יימצא בדיוק בזווית מינוס X . נשאיר גלאי אחד מקובע במקום, ונסרוק עם הגלאי השני את כל הזוויות, ונתעד כמה זוגות נצפו בכל נקודה. את התוצאות נוכל לתאר באמצעות תמונה, שנקרא לה coincidence count rate , וכאמור במקרה הפשוט היא תהיה פשוט נקודה באמצע (ראו תמונה למטה). עכשיו נעשה את זה מעניין: לא נשלח את הפוטו...