无需受激辐射的双光子诱导相干性

《SCIENCE ADVANCES》：Two-photon induced coherence without induced emission

两光子诱导无发射量子干涉仪在非线性干涉仪中的实现及相位灵敏度增强。通过制备两光子Fock态，在SPDC非线性干涉仪中实现了两光子诱导无发射coherence，实验验证了施加于未检测1016 nm近红外光子的相位调制?可导致信号光子检测中的2?相位调制，相位灵敏度提升至传统单光子效应的2倍，为量子计量学在难探测波长 regime中的应用开辟了新途径。

　　在近年来的量子成像与光谱学研究中，未探测光子的量子光学效应——诱导相干无诱导发射，成为实现突破的关键。这一现象在量子干涉中展现出独特的特性，使得研究者能够探索一些传统方法难以触及的波长区域。然而，尽管未探测光子在量子测量中的潜力已经被广泛讨论，特别是在利用Fock态或N00N态提高相位灵敏度方面，相关研究仍主要集中在单光子现象上，未充分挖掘多光子干涉的潜力。本研究通过实验观察到了两光子诱导相干无诱导发射现象，进一步拓展了量子增强测量的可能性。

诱导相干无诱导发射是一种独特的量子光学干涉效应，它在第一阶强度测量中展现出显著的特性，与大多数量子光学干涉效应在第二阶强度相关测量中显现不同。这种现象的本质在于概率幅的不可区分性，而不是通过光子的发射过程产生干涉。在传统实验中，光子对的生成通常伴随着诱导发射，这限制了其在量子测量中的应用。然而，利用两光子Fock态在非线性干涉仪中实现的诱导相干无诱导发射，使得研究者能够在不触发诱导发射的情况下，获得光子对之间的相干性。这一成果展示了量子干涉的显著增强效果，即干涉相位调制的倍增，为量子增强测量开辟了新的途径。

在本研究中，我们设计了一种实验方案，利用两光子Fock态在非线性干涉仪中实现两光子诱导相干无诱导发射。通过将未探测的1016纳米光子引入干涉仪，我们观察到在检测632纳米光子时，干涉相位调制出现了两倍的增强效果。这种现象表明，两光子诱导相干无诱导发射确实存在，并且在量子增强测量中具有重要意义。具体而言，未探测的1016纳米光子所经历的相位变化被检测到的632纳米光子所反映，显示出显著的量子增强特性。

实验中，我们使用了双光子Fock态来生成光子对，通过非线性干涉仪中的光子对自发参量下转换（SPDC）过程，实现了光子对之间的相干性。在非线性干涉仪中，两个非线性晶体（NL1和NL2）被同一紫外泵浦激光同时激发，生成信号光子和闲置光子对。通过将闲置光子对在时间与空间上重叠，我们能够观察到两光子诱导相干无诱导发射现象。实验结果表明，两光子的相干性导致了干涉相位调制的倍增，从而在检测可见光子时表现出显著的量子增强效果。

在实验中，我们特别关注了闲置光子模式的匹配问题。由于SPDC过程中的光子对具有紧密的频率反相关性，这可能导致在多光子干涉实验中出现较低的可见度。为了验证这一现象，我们通过干涉滤波器调整信号光子的频率，从而去除频率反相关性的影响。通过这种调整，我们能够观察到更清晰的干涉条纹，进一步确认了两光子诱导相干无诱导发射的特性。此外，我们还利用了光子模式的匹配，确保信号光子和闲置光子在干涉仪中能够有效重叠，从而实现相干性的增强。

在实验结果中，我们观察到当闲置光子模式被调整时，检测到的信号光子干涉条纹呈现出显著的相位调制效果。这一现象表明，两光子诱导相干无诱导发射确实存在，并且能够通过未探测光子的相位变化来影响可见光子的干涉。我们还发现，实验中未探测光子的相位变化在可见光子的检测中被放大，从而展现出两倍的干涉相位调制。这一结果为量子增强测量提供了新的思路，特别是在无法直接探测的波长区域，如近红外和中红外波段。

此外，我们还探讨了时间模式失配对两光子诱导相干无诱导发射的影响。通过调整闲置光子模式的位置，我们观察到干涉条纹的可见度随着时间模式失配的增加而减弱。这表明，时间模式的匹配对于两光子诱导相干无诱导发射的实现至关重要。实验结果与数值模拟一致，进一步验证了我们的理论模型。

在实验过程中，我们还确保了诱导发射的不存在。通过在信号光子路径中放置探测器，并比较未探测光子模式开启和关闭时的单光子计数率，我们验证了实验中没有诱导发射的发生。这表明，两光子诱导相干无诱导发射现象确实由光子对之间的相干性引起，而非由诱导发射所致。

综上所述，本研究通过实验验证了两光子诱导相干无诱导发射现象，并展示了其在量子增强测量中的潜力。这一发现不仅深化了对量子光学干涉效应的理解，也为未来在中红外波段等难以直接探测的波长区域开展量子成像、光谱学、量子光学相干断层扫描等应用提供了新的可能性。两光子诱导相干无诱导发射现象的实现，标志着量子光学干涉研究的一个重要进展，同时也为量子增强测量技术的发展奠定了基础。