מה רונן חוקר

  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...

  בפוסטים האחרונים ניסיתי לשכנע אתכם בשני דברים: 1) יש אפקטים מעניינים שקורים בעולם הפוטונים הבודדים שאי אפשר להסביר בתורה הקלאסית של מקסוול. 2) אפשר לדמיין שזה אפילו יהיה שימושי! נשאלת השאלה: איך נוכל לייצר פוטונים בודדים? חשוב לומר שלייזר שנחליש אותו מאוד מאוד לא יוציא בסופו של דבר פוטון בודד, אלא משהו שנקרא "מצב קוהרנטי", שבגדול יתנהג בדיוק כמו לייזר חזק – רק הרבה יותר חלש. אפשר אפילו ליצור מצב קוהרנטי בו בממוצע יש הרבה פחות מפוטון שלם, אבל עדיין ההתנהגות שלו תהיה קלאסית לחלוטין. אולי יום אחד נכתוב על מצבים קוהרנטיים יותר לעומק, אבל בינתיים נשאל – איך נייצר פוטון בודד? אחת הדרכים הנפוצות, והדרך המרכזית בה אנו עושים את זה במעבדה של @complex_photonics_lab היא באמצעות תהליך לא ליניארי שנקרא Spontaneous Parametric Down Conversion או בקיצור – SPDC . בתהליך הזה מאירים עם לייזר קלאסי ( pump ) על גביש בעל תכונות לא-ליניאריות מסוימות, ובערך בסיכוי של 1 למליון אז פוטון אנרגטי אחד של הלייזר (שאצלנו הוא "כחול", באורך גל של 405nm ), יתפצל לשני פוטונים פחות אנרגטיים (...

  בפוסט הקודם נתנו את כל הרקע הפיזיקלי הנדרש, וכעת נסביר איך להשתמש בו כדי להעביר מידע מאליס לבוב באופן שהם יכולים לוודא שאף אחד לא מאזין להם בתווך הפיזי. מראש אליס ובוב מסכמים בטלפון שפוטון ב H או ב D יסמן 0, ופוטון ב V או ב AD יסמן 1. זה מידע פומבי, שנניח שכולם יודעים. 1) אליס שולחת את רצף הביטים לבוב, כאשר בכל ביט היא מחליטה באופן אקראי האם לקודד אותו ב H-V או ב D-AD . בוב לא יודע באיזה בסיס למדוד, אז הוא מודד כל פעם בבסיס אקראי. 2) אליס אומרת לבוב בטלפון (=על פני תווך פומבי) באיזה בסיס היא קודדה, ובוב אומר לה באיזה בסיס הוא מדד. את כל הביטים שהוא מדד בבסיס הלא נכון שניהם זורקים לפח (אפשר לשלוח אותם מחדש מאוחר יותר). אבל רגע! יכול להיות שאיב המרשעת הקשיבה בדרך! מה הדבר הכי טוב שהיא יכולה לעשות? היא יכולה למדוד כל פעם בבסיס אקראי, ואז אם היא מדדה H אז היא תשלח אחר כך שוב לבוב H , אם D אז תשלח D וכו'. הנקודה היא שאם איב מדדה בבסיס הלא נכון, היא בהכרח תכניס שגיאות למידע. נסביר: נתייחס לביט שלא נזרק לפח, ולכן לביט שבוב מדד בבסיס הנכון. נניח שאליס שלחה פוטון ב D , ואי...

  לאור קלאסי יש תכונה שנקראת קיטוב, ואנחנו נתמקד בקיטוב ליניארי בלבד. האור הקלאסי הוא גל שנניח ומתקדם בכיוון z . הקיטוב מכתיב באיזה כיוון במישור XY השדה עולה ויורד (ראו בתמונה למטה קיטוב ליניארי "אלכסוני", כי בלי תמונה מאוד קשה להבין.). נוכל להגדיר קיטוב מאוזן ומאונך ( Horizontal - H ו- Vertical - V ), שהם מאונכים זה לזה. אור שמקוטב במאונך הוא לחלוטין לא במאוזן והפוך. בנוסף נוכל להגדיר קיטוב אלכסוני ו"אנטי אלכסוני" בכיוון המאונך אליו ( Diagonal – D ו- Anti diagonal – AD ), ראו שוב בתמונה למטה. נניח ומגיע אלי אור ואני יודע שהוא בהכרח מקוטב *או ב H או ב V *, ואני רוצה למדוד מה הגיע. אז אוכל להעביר את האור ברכיב בשם מקטב, שמעביר רק אור בקיטוב מסוים, למשל H . כעת אם אמדוד אור אחרי המקטב אדע באופן וודאי שהקיטוב היה ב H , ואם לא אמדוד אור אדע שהוא היה ב V . באופן דומה אם נתון לי שהוא ב D או ב AD , אוכל להעביר את האור דרך מקטב שמוצב באלכסון כאשר אם אמדוד מאחוריו אור אדע שהוא מקוטב ב D ואם לא אז בוודאות הוא ב AD . אבל מה יקרה אם הוא יכול להיות בכל אחת מ4 האפשרוי...

  בפוסט הקודם הראינו ניסוי שממחיש את העיקרון הקוונטי לפיו לא קיים "חצי פוטון". עיקרון קוונטי חשוב נוסף הוא עיקרון הסופר-פוזיציה, לפיו המציאות יכולה להימצא "בו זמנית" בכמה מצבים שונים, עם אמפליטודה שונה לכל מצב. כאשר מבצעים מדידה ההסתברות למדוד מצב מסוים הוא האמפליטודה של המצב בערך מוחלט בריבוע. נתאר כעת ניסוי בו אנחנו מכניסים למפצל קרן פוטון אחד לכל רגל (ראו איור למטה). קיימות ארבע אפשרויות. שתיים הן פשוטות: שהראשון יוחזר והשני יעבור, ואז שניהם יגיעו לגלאי הראשון, או שהראשון יעבור והשני יוחזר ואז שניהם יגיעו לגלאי השני, נקרא להם מצבים (2,0) ו(0,2). אבל קיימות שתי אפשרויות נוספות: ששני הפוטונים יוחזרו, או ששניהם יועברו. בשני המקרים התוצאה תהיה פוטון אחד בכל גלאי (1,1). נדגיש כי שני אלו מצבים *זהים* מבחינה קוונטית, וזוהי הדגמה גם של עיקרון החלקיקים הזהים הכללי יותר, ספציפית של בוזונים, אבל לא נתעכב על זה כאן. נאיבית, גם אם נקבל שהשדה הוא מקוונטט, נצפה שבחצי מהמקרים (2 מתוך 4) נמדוד קורלציה: שקיים פוטון בכל גלאי בו זמנית. קלאסית וודאי שאין בעיה שיהיה אור בו זמנית ב...