Photon correlations and features of nonclassical optical fields in a squeezed vacuum state

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

We discuss the spatial and spectral properties of electromagnetic fields in a squeezed vacuum state and consider photon correlations in such fields. We concentrate on a bright squeezed vacuum with a large mean number of photons per mode and both spatial and frequency multimode structures. A theoretical approach based on the introduction of independent Schmidt modes and their photon operators is considered, which allows analytically correctly describing any characteristics of the squeezed field, including photon correlations, in good agreement with experiment. We present methods for controlling the mode content, degree of squeezing, and entanglement of photons of the generated squeezed light, including the scheme of a nonlinear interferometer; their advantages and applied prospects are analyzed. We discuss applied problems where squeezed nonclassical states are realized: the dispersion characteristics of media in the THz frequency range and high-precision detection of weak phase and angular perturbations based on correlations between photons.

About the authors

Roman Viktorovich Zakharov

Lomonosov Moscow State University, Faculty of Physics; Lomonosov Moscow State University, Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics

Ol'ga Vladimirovna Tikhonova

Lomonosov Moscow State University, Faculty of Physics; Lomonosov Moscow State University, Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics

Email: ovtikhonova@mail.ru

References

  1. Клышко Д. Н., Фотоны и нелинейная оптика, Наука, М., 1980
  2. Belinsky A. V., Klyshko D. N., Laser Phys., 4 (1994), 663
  3. Клышко Д. Н., ЖЭТФ, 83 (1982), 1313
  4. Клышко Д. Н., Письма в ЖЭТФ, 6 (1967), 490
  5. Ахманов С. А. и др., Письма в ЖЭТФ, 6 (1967), 575
  6. Harris S. E., Oshman M. K., Byer R. L., Phys. Rev. Lett., 18 (1967), 732
  7. Magde D., Mahr H., Phys. Rev. Lett., 18 (1967), 905
  8. Зельдович Б. Я., Клышко Д. Н., Письма в ЖЭТФ, 9 (1969), 69
  9. Burnham D. C., Weinberg D. L., Phys. Rev. Lett., 25 (1970), 84
  10. Кривицкий Л. А. и др., ЖЭТФ, 124 (2003), 943
  11. Molina-Terriza G., Torres J. P., Torner L., Phys. Rev. Lett., 88 (2002), 013601
  12. Vaziri A. et al., Phys. Rev. Lett., 88 (2003), 227902
  13. Langford N. K. et al., Phys. Rev. Lett., 93 (2004), 053601
  14. Bogdanov Yu. I. et al., Phys. Rev. Lett., 93 (2004), 230503
  15. Neves L. et al., Phys. Rev. Lett., 94 (2005), 100501
  16. O'Sullivan-Hale M. N. et al., Phys. Rev. Lett., 94 (2005), 220501
  17. Fedorov M. V. et al., Phys. Rev. Lett., 99 (2007), 063901
  18. D'Ariano G. M., Mataloni P., Sacchi M. F., Phys. Rev. A, 71 (2005), 062337
  19. Moreva E. et al., Phys. Rev. Lett., 97 (2006), 023602
  20. Bogdanov Yu. I. et al., Phys. Rev. A, 73 (2006), 063810
  21. Baek S.-Y. et al., Phys. Rev. A, 78 (2008), 042321
  22. Fedorov M. V. et al., Phys. Rev. A, 77 (2008), 032336
  23. Fedorov M. V. et al., New J. Phys., 13 (2011), 083004
  24. Федоров М. В., Волков П. А., Михайлова Ю. М., ЖЭТФ, 142 (2012), 20
  25. Saygin M. Yu., Chirkin A. S., Kolobov M. I., J. Opt. Soc. Am. B, 29 (2012), 2090
  26. Wooters W. K., Phys. Rev. Lett., 80 (1998), 2245
  27. Vidal G., Werner R. F., Phys. Rev. A, 65 (2002), 032314
  28. Bouwmeester D. et al., Nature, 390 (1997), 575
  29. Kim Y.-H., Kulik S. P., Shih Y., Phys. Rev. Lett., 86 (2001), 1370
  30. Brida G. et al., Phys. Rev. A, 76 (2007), 053807
  31. Shurupov A. P. et al., Europhys. Lett., 87 (2009), 10008
  32. Jack B. et al., New J. Phys., 11 (2009), 103024
  33. Bogdanov Yu. I. et al., Phys. Rev. Lett., 105 (2010), 010404
  34. Bogdanov Yu. I., Kulik S. P., Laser Phys. Lett., 10 (2013), 125202
  35. Kravtsov K. S. et al., Phys. Rev. A, 87 (2013), 062122
  36. Pan J.-W. et al., Rev. Mod. Phys., 84 (2012), 777
  37. Bondani M. et al., Phys. Rev. A, 76 (2007), 013833
  38. Исхаков Т. Ш. и др., Письма в ЖЭТФ, 88 (2008), 757
  39. Chuprina I. N., Kalachev A. A., Phys. Rev. A, 100 (2019), 043843
  40. Kalachev A. et al., Laser Phys., 29 (2019), 104001
  41. Iskhakov T., Chekhova M. V., Leuchs G., Phys. Rev. Lett., 102 (2009), 183602
  42. Spasibko K. Yu., Iskhakov T. Sh., Chekhova M. V., Opt. Express, 20 (2012), 7507
  43. Iskhakov T. Sh. et al., Opt. Lett., 37 (2012), 1919
  44. Chekhova M. V., Leuchs G., Żukowski M., Opt. Commun., 337 (2015), 27
  45. Eibl M. et al., Phys. Rev. Lett., 90 (2003), 200403
  46. Rädmark M., Zukowski M., Bourennane M., Phys. Rev. Lett., 103 (2009), 150501
  47. Stobinska M. et al., Phys. Rev. A, 86 (2012), 022323
  48. Karassiov V. P., J. Phys. A, 26 (1993), 4345
  49. Карасев В. П., Масалов A. B., Оптика и спектроскопия, 74 (1993), 928
  50. Бушев П. А. и др., Оптика и спектроскопия, 91 (2001), 558
  51. Brida G. et al., Opt. Express, 18 (2010), 20572
  52. Brida G., Genovese M., Ruo Berchera I., Nat. Photon., 4 (2010), 227
  53. Lopaeva E. D. et al., Phys. Rev. Lett., 110 (2013), 153603
  54. Kolobov M. I., Quantum Imaging, Springer, New York, 2007
  55. Magnitskiy S., Agapov D., Chirkin A., Opt. Lett., 47 (2022), 754
  56. Khalili F. et al., Phys. Rev. Lett., 105 (2010), 070403
  57. Anderson B. E. et al., Optica, 4 (2017), 752
  58. Gong Q.-K. et al., Phys. Rev. A, 96 (2017), 033809
  59. Manceau M. et al., Phys. Rev. Lett., 119 (2017), 223604
  60. Manceau M., Khalili F. Ya., Chekhova M., New J. Phys., 19 (2017), 013014
  61. Knyazev E. et al., New J. Phys., 20 (2018), 013005
  62. Knyazev E., Khalili F. Ya., Chekhova M. V., Opt. Express, 27 (2019), 7868
  63. Shaked Y. et al., Nat. Commun., 9 (2018), 609
  64. Mikhailova Yu. M., Volkov P. A., Fedorov M. V., Phys. Rev. A, 78 (2008), 062327
  65. Fedorov M. V., Mikhailova Yu. M., Volkov P. A., J. Phys. B, 42 (2009), 175503
  66. Chekhova M. V., Fedorov M. V., J. Phys. B, 46 (2013), 095502
  67. Fedorov M. V., Miklin N. I., Contemp. Phys., 55 (2014), 94
  68. Fedorov M. V., Phys. Rev. A, 93 (2016), 033830
  69. Fedorov M. V. et al., Phys. Rev. A, 98 (2018), 013850
  70. Fedorov M. V., Phys. Rev. A, 97 (2018), 012319
  71. Wasilewski W. et al., Phys. Rev. A, 73 (2006), 063819
  72. Christ A. et al., New J. Phys., 15 (2013), 053038
  73. Eckstein A., Brecht B., Silberhorn Ch., Opt. Express, 19 (2011), 13770
  74. Brambilla E. et al., Phys. Rev. A, 69 (2004), 023802
  75. Brambilla E. et al., Phys. Rev. A, 77 (2008), 053807
  76. Brambilla E. et al., Phys. Rev. A, 82 (2010), 013835
  77. Rubin M. H., Phys. Rev. A, 54 (1996), 5349
  78. Wang L. J., Hong C. K., Friberg S. R., J. Opt. B, 3 (2001), 346
  79. Perez A. M. et al., Laser Phys. Lett., 10 (2013), 125201
  80. Cavanna A. et al., Opt. Express, 22 (2014), 9983
  81. Sharapova P. et al., Phys. Rev. A, 91 (2015), 043816
  82. Miatto F. M. et al., Eur. Phys. J. D, 66 (2012), 263
  83. Miatto F. M., Brougham T., Yao A. M., Eur. Phys. J. D, 66 (2012), 183
  84. Law C. K., Eberly J. H., Phys. Rev. Lett., 92 (2004), 127903
  85. Рытиков Г. О., Чехова М. В., ЖЭТФ, 134 (2008), 1082
  86. Sharapova P. R. et al., Phys. Rev. A, 97 (2018), 053827
  87. Schmidt E., Math. Ann., 63 (1907), 433
  88. Grobe R., Rzazewski K., Eberly J. H., J. Phys. B, 27 (1994), L503
  89. Ekert A., Knight P., Am. J. Phys., 63 (1995), 415
  90. Law C. K., Walmsley I. A., Eberly J. H., Phys. Rev. Lett., 84 (2000), 5304
  91. Fedorov M. V. et al., Phys. Rev. A, 72 (2005), 032110
  92. Mercer J., Philos. Trans. R. Soc. Lond. A, 209 (1909), 415
  93. Beltran L. et al., J. Opt., 19 (2017), 044005
  94. Dayan B., Phys. Rev. A, 76 (2007), 043813
  95. Agafonov I. N., Chekhova M. V., Leuchs G., Phys. Rev. A, 82 (2010), 011801
  96. Heidmann A. et al., Phys. Rev. Lett., 59 (1987), 2555
  97. Brida G. et al., Phys. Rev. Lett., 102 (2009), 213602
  98. Harder G. et al., Phys. Rev. Lett., 116 (2016), 143601
  99. Agarwal G. S., Quantum Optics, Cambridge Univ. Press, Cambridge, 2013
  100. Lvovsky A. I., “Squeezed light”, Photonics, v. 1, Ed. D. Andrews, John Wiley and Sons, Hoboken, NJ, 2015, 121
  101. Zakharov R. V., Tikhonova O. V., Laser Phys. Lett., 15 (2018), 055205
  102. Fedorov M. V., Laser Phys., 29 (2019), 124006
  103. La Volpe L. et al., Opt. Express, 28 (2020), 12385
  104. Treps N. et al., Phys. Rev. Lett., 88 (2002), 203601
  105. Embrey C. S. et al., Phys. Rev. X, 5 (2015), 031004
  106. Frascella G. et al., Optica, 6 (2019), 1233
  107. Sharapova P. R. et al., Phys. Rev. Res., 2 (2020), 013371
  108. Perez A. M. et al., Opt. Lett., 39 (2014), 2403
  109. Hudelist F. et al., Nat. Commun., 5 (2014), 3049
  110. Lemieux S. et al., Phys. Rev. Lett., 117 (2016), 183601
  111. Клышко Д. Н., ЖЭТФ, 105 (1994), 1574
  112. Иванова О. А. и др., Квантовая электроника, 36 (2006), 951
  113. Frascella G. et al., Laser Phys., 29 (2019), 124013
  114. Marino A. M. et al., Phys. Rev. Lett., 101 (2008), 093602
  115. Mair А. et al., Nature, 412 (2001), 313
  116. Berkhout G. C. G. et al., Phys. Rev. Lett., 105 (2010), 153601
  117. Захаров Р. В., Тихонова О. В., Изв. РАН. Сер. физ., 82 (2018), 1525
  118. Ma G. H. et al., J. Opt. Soc. Am. B, 23 (2006), 81
  119. Китаева Г. Х., Пенин А. Н., Тучак А. Н., Оптика и спектроскопия, 107 (2009), 553
  120. Wang T. D. et al., Opt. Express, 16 (2008), 6471
  121. Kornienko V. V. et al., Opt. Lett., 41 (2016), 4075
  122. Kitaeva G. Kh. et al., Opt. Lett., 44 (2019), 1198
  123. Клышко Д. Н., Квантовая электроника, 4 (1977), 1056
  124. Kitaeva G. Kh. et al., Appl. Phys. B, 116 (2014), 929
  125. Kitaeva G. Kh., Kornienko V. V., Int. J. Quantum Inf., 15 (2017), 1740024
  126. Kornienko V. V. et al., APL Photon., 3 (2018), 051704
  127. Китаева Г. Х., Пенин А. Н., ЖЭТФ, 125 (2004), 307
  128. Kitaeva G. Kh. et al., J. Infrared Millimeter Terahertz Waves, 32 (2011), 1144
  129. Kitaeva G. Kh., Phys. Rev. A, 76 (2007), 043841
  130. Kitaeva G. Kh. et al., Phys. Rev. A, 98 (2018), 063844
  131. Zakharov R. V., Tikhonova O. V., Laser Phys., 29 (2019), 124010
  132. Kuznetsov K. A. et al., Phys. Rev. A, 101 (2020), 053843
  133. Абдуллин У. А. и др., ЖЭТФ, 66 (1974), 1295
  134. Клышко Д. Н., ЖЭТФ, 104 (1993), 2676
  135. Корыстов Д. Ю., Кулик С. П., Пенин А. Н., Квантовая электроника, 30 (2000), 922
  136. Kalashnikov D. A. et al., Nat. Photon., 10 (2016), 98
  137. Rasputnyi A. V., Kopylov D. A., Phys. Rev. A, 104 (2021), 013702
  138. Aleksandrovski A. L., Chirkin A. S., Volkov V. V., J. Russ. Laser Res., 18 (1997), 101
  139. Дмитриев В. Г., Тарасов Л. В., Прикладная нелинейная оптика, 2-е изд., перераб. и доп., Физматлит, М., 2004
  140. Kolobov M. I. et al., J. Opt., 19 (2017), 054003
  141. Perez A. M. et al., Nat. Commun., 6 (2015), 7707
  142. Kim Y.-H., Grice W. P., Opt. Lett., 30 (2005), 908
  143. Poh H. S. et al., Phys. Rev. A, 75 (2007), 043816
  144. Baek S.-Y., Kim Y.-H., Phys. Rev. A, 77 (2008), 043807
  145. Spasibko K. Yu., Iskhakov T. Sh., Chekhova M. V., Opt. Express, 20 (2012), 7507
  146. Iskhakov T. Sh. et al., J. Mod. Opt., 63 (2016), 64
  147. Reddy D. V., Raymer M. G., Opt. Express, 25 (2017), 12952
  148. Shahverdi A. et al., Sci. Rep., 7 (2017), 6495
  149. Brecht B. et al., New J. Phys., 13 (2011), 065029
  150. Eckstein A., Brecht B., Silberhorn C., Opt. Express, 19 (2011), 13770
  151. Manurkar P. et al., Optica, 3 (2016), 1300
  152. Allgaier M. et al., Phys. Rev. A, 101 (2020), 043819
  153. Ansari V. et al., Phys. Rev. A, 96 (2017), 063817
  154. Ansari V. et al., Phys. Rev. Lett., 120 (2018), 213601
  155. Sukharnikov V., Sharapova P., Tikhonova O., Opt. Laser Technol., 136 (2021), 106769
  156. Peřina J. (Jr.), Phys. Rev. A, 92 (2015), 013833
  157. Peřina J. (Jr.), Phys. Rev. A, 93 (2016), 013852
  158. Peřina J. (Jr.) et al., Sci. Rep., 6 (2016), 22320
  159. La Volpe L. et al., Phys. Rev. Appl., 15 (2021), 024016
  160. Schnabel R., Phys. Rep., 684 (2017), 1
  161. Ou Z. Y., Phys. Rev. A, 85 (2012), 023815
  162. Anderson B. E. et al., Optica, 4 (2017), 752
  163. Yurke B., McCall S. L., Klauder J. R., Phys. Rev. A, 33 (1986), 4033
  164. Jha A. K. et al., Phys. Rev. A, 83 (2011), 053829
  165. Liu J. et al., J. Opt., 20 (2018), 025201
  166. Frascella G. et al., Opt. Lett., 46 (2021), 2364
  167. Spasibko K. Yu. et al., Phys. Rev. Lett., 119 (2017), 223603

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».