Generazione di fasci gemelli accordabili in frequenza e separati mediante un reticolo

Una relazione estremamente potente in meccanica quantistica è quella di indeterminazione di Heisenberg, che si applica pure alle quadrature del campo elettromagnetico, sancendo l’impossibilità di misurare simultaneamente entrambe le quadrature con una precisione arbitraria. Gli stati coerenti obbediscono alla relazione di Heisenberg col segno di uguaglianza, presentandosi come stati di minima indeterminazione (MUS). Inoltre, presentano su entrambe le quadrature un’indeterminazione identica, nota come limite quantistico standard (SQL) e che sembra costituire il limite naturale e invalicabile alla precisione delle misure ottiche. E’ stato mostrato [8] che gli stati coerenti costituiscono una sottofamiglia della più vasta famiglia dei MUS che prendono il nome di stati squeezed. La loro peculiarità sta nel presentare in una quadratura un’indeterminazione minore dell’SQL a discapito dell’altra quadratura. Il presente lavoro di tesi è dedicato alla generazione e rivelazione di luce squeezed nella quadratura di ampiezza (luce subpoissoniana), ovvero con riduzione delle fluttuazioni in intensità sotto il livello di shot noise. Il legame esistente tra luce squeezed in ampiezza, subpoisssoniana e correlata quantisticamente al secondo ordine in intensità garantisce che la riduzione delle fluttuazioni del campo nella quadratura d’ampiezza si traduca sperimentalmente nella riduzione del rumore in intensità del campo, misurabile attraverso la correlazione al secondo ordine.
Un meccanismo tramite cui si genera un tal tipo di luce è l’interazione parametrica di un campo continuo con un cristallo dalle proprietà ottiche non lineari. In termini corpuscolari si può schematizzare il processo immaginando che ogni fotone del fascio di frequenza νp, detto di pompa, che incide sul cristallo non lineare si separi in una coppia di fotoni di frequenza νi e νs, detti rispettivamente signal e idler, tali che νi + νs = νp in ottemperanza al principio di conservazione dell’energia. Si forma così una coppia di fasci fortemente correlati nel numero di fotoni, detti gemelli.
Il Niobato di Litio appartiene a una classe di cristalli che dà luogo a un’interazione parametrica di tipo I che genera coppie di fasci degeneri in polarizzazione. Esiste un’altra classe di cristalli non lineari, tra cui il più noto è il KTP, che genera, per interazione parametrica, detta di tipo II, fasci gemelli mutuamente ortogonali in polarizzazione.
Il vantaggio offerto dal primo tipo di interazione rispetto al secondo consiste in un’accordabilità facile e veloce della frequenza dei gemelli generati in funzione della temperatura del cristallo. Come rovescio della medaglia, la rivelazione dei fasci gemelli nel primo caso è un passaggio particolarmente delicato, mentre nel secondo è sufficiente un separatore di fascio polarizzatore. L’elemento separatore dei fasci gemelli degeneri in polarizzazione assume un’importanza cruciale; nel nostro esperimento si è scelto di operare con un reticolo di diffrazione ad alta efficienza in configurazione Littrow.
Una volta separati, i fasci vengono rivelati da una coppia di fotodiodi che consentono di trasferire le proprietà di correlazione dei fotoni alle fotocorrenti. Il segnale ifferenza delle uscite dei fotodiodi viene processato da un analizzatore di spettro che fornisce lo spettro di rumore della differenza d’intensità dei gemelli e, quindi, una misura della correlazione in intensità degli stessi. Per quantificare la riduzione del rumore si effettua una calibrazione dello shot noise acquisendo lo spettro di rumore in intensità sul fascio laser infrarosso. Risulta che la riduzione di rumore è tanto maggiore quanto maggiore è l’efficienza di rivelazione, la larghezza di riga della cavità e l’accoppiamento della cavità verso l’esterno.
Per l’elevato grado di correlazione fra le intensità i fasci gemelli risultano utili in numerose applicazioni, quale la verifica del padadosso EPR con coppie di fotoni entangled, misure di quantum non demolition, misure di assorbimento molto debole e quelle spettroscopiche ad elevata risoluzione.