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Abstract

Wir führen eine Reihe von elementaren optischen Experimenten mit einem nichtklassischen Lichtfeld durch, das über parametrische Fluoreszenz erzeugt wird und die Besonderheit aufweist, daß die Photonen ausschließlich paarweise auftreten. Beim Auftreffen auf einen verlustfreien, teildurchlässigen Spiegel werden die Photonen eines Paares gemäß einer Binomialverteilung auf das reflektierte und das transmittierte Bündel verteilt. Dieses Ergebnis ist unabhängig vom Kohärenzgrad. Die beobachtete Invarianz der Verteilung kann auf eine Balance zwischen quantenmechanischen Stimulations- und Interferenzeffekten in den Ein- und Ausgangsarmen des Strahlteilers zurückgeführt werden. Beim zweimaligen Durchlaufen eines Strahlteilers in einem Michelson-Interferometer treten Interferenzen zwischen den verschiedenen möglichen Zweiphotonenzuständen im Interferometer auf. Das Korrelations-Interferogramm für Photonenpaare besitzt eine höhere Auflösung als das Intensitäts-Interferogramm für die Transmission einzelner Photonen. Wir deuten dieses Verhalten als quantenmechanische Interferenz zwischen der größeren Zahl von Möglichkeiten, die ein Photonenpaar im Vergleich zu einzelnen Photonen hat, das Interferometer zu durchlaufen. Die Anwendung dieser Überlegungen auf Lichtfelder mit Paaren von Photonen unterschiedlicher Energie führt zu Korrelations-Interferogrammen, die deutlich von den mit klassischen Feldern aufgenommenen Interferogrammen abweichen.

Beam Splitting and Interference Experiments with Photon Pairs

We perform a series of elementary optical experiments with a nonclassical lightfield generated in the process of spontaneous parametric down-conversion. This lightfield consists of photon pairs only. When the photon pairs fall on a lossless beam splitter the photons are distributed among the transmitted and reflected beam according to the binomial distribution. The result is independent of the degree of coherence. The invariance of the distribution can be understood as a balance between quantum mechanical stimulation and interference effects in the input and output arms of the beam splitter. In application to a Michelson interferometer in which the beam splitter is passed twice we have to consider interferences between the possible two-photon states. Compared to conventional Michelson interferograms the measured correlation interferogram for photon pairs exhibits a higher resolution. We explain this behavior as due to quantum mechanical interference between the larger number of ways a photon pair can traverse the interferometer compared to single photons. Applied to lightfields in which the photons of a pair have different energies these considerations lead to correlation interferograms which differ significantly from those recorded with classical lightfields.