来源：David Appell, Phys.org；电子科技大学太赫兹科学技术研究中心 张思源 编译

    自20世纪60年代首次被证明以来，自发参量下转换（SPDC）一直是许多量子光学实验的中心，这些实验测试了量子力学中的基本物理定律，以及量子模拟、量子密码学和量子计量学等应用。

    SPDC是光子穿过某些晶体等非线性物体后自发分裂为两个光子。该过程是非线性和瞬时的，与输入光子（泵浦光子）相比，两个输出光子（称为信号光子和闲散光子）满足能量和动量守恒。SPDC通常与专门设计的晶体一起使用，以产生纠缠光子对。

    来自加拿大的一个研究小组发现，在检测到两个输出光子之间存在延迟，这取决于影响晶体的入射光的强度。他们称之为“增益诱导的群延迟”。

    他们的研究发表在《物理评论快报》杂志上，使用了理论和数值模拟，然后是他们自己的实验数据。延迟意味着设计需要精确计时光子的应用程序，如量子传感器和量子计算机，可能会受到影响。

    时间延迟（也称为群延迟）是通过使用所谓的微扰理论研究SPDC从理论上发现的，微扰理论是物理学中的一种标准技术，其中复杂的数学类能量算子通过仅包含其展开的前导项而简化，类似于函数的泰勒级数展开。（费曼图的计算在很大程度上依赖于微扰展开。）这使得方程更容易计算。

    在这里，展开式中的每个项都代表一种不同的、越来越复杂的SPDC光子散射类型。最低阶是基本的——泵浦光子散射成一对较低能量的光子。下一个领先项是当两个产生的光子相互散射时，总共产生三个光子作为输出。

    假设信号场和闲散场最初都处于真空状态，因此该项为零。三阶项描述了一种散射过程，其中两个泵浦光子各自产生成对的下转换光子，然后是后两个光子的上转换。

    每一项都与相互作用强度的幂成正比，因此连续项变得越来越小。因此，复杂的量子力学方程被用来计算群延迟的表达式。

    然后，他们开发了一个SPDC扰动过程模型来数值计算时间延迟。

    为了测试他们的理论分析，该小组使用了干涉测量法。功率从0到60毫瓦不等的快速脉冲激光器产生了180飞秒长的脉冲（即0.18万亿分之一秒），波长以779纳米为中心，脉冲的半峰全宽为5.37纳米。

    与超过100000名依赖Phys.org获取日常见解的订阅者一起探索科学、技术和太空的最新进展。注册我们的免费时事通讯，每天或每周获取重要突破、创新和研究的最新进展。

    与人类视觉相比，这种光在非常近的红外线范围内。使用专门设计的2mm长的磷酸氧钛钾（KTP）非线性晶体，他们产生了一个共线光子对，两个波长都以1558nm为中心（近红外光，每个频率为192太赫兹）。

    它们的偏振方向彼此垂直，它们使用偏振分束器将信号和闲散光分开，并将光子发送通过干涉仪。测量的时间延迟为150纳秒。

    由渥太华加拿大国家研究委员会的主要作者Guillaume Thekkadath领导的研究人员写道：“我们证明了自发参量下转换产生的光子对表现出增益诱导的群延迟。”（其他六位合著者也在加拿大。）

    他们的结果表明，输出光的联合振幅不仅仅是两个光子重叠的振幅。他们写道，这样的设置“……对于光子量子计算、高斯玻色子采样、干涉测量和量子频率转换等应用越来越重要”。

    他们说，这种延迟很容易在体光学中得到补偿，体光学是镜子、透镜、棱镜、窗口和晶体等固体仪器，但不是薄膜。然而，“在设计集成到芯片中的量子干涉电路时，这种延迟可能会带来复杂性。”

    尽管他们的研究从超短激光脉冲作为泵浦光子开始研究SPDC，但他们写道，它也适用于自发四波混频——两个或三个波长的光子之间的相互作用，以产生一个或两个新波长的光子——因为它们具有相同的量子力学描述。

    这通常用于集成电路或光纤。他们指出，观察到的群延迟也会影响由较长脉冲甚至连续波光泵浦的光源。