Interferometric imaging of amplitude and phase of spatial biphoton states

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作者
Danilo Zia,Nazanin Dehghan,Alessio D’Errico,Fabio Sciarrino,Ebrahim Karimi
出处
期刊:Nature Photonics [Nature Portfolio]
卷期号:17 (11): 1009-1016 被引量:31
标识
DOI:10.1038/s41566-023-01272-3
摘要

Abstract High-dimensional biphoton states are promising resources for quantum applications, ranging from high-dimensional quantum communications to quantum imaging. A pivotal task is fully characterizing these states, which is generally time-consuming and not scalable when projective measurement approaches are adopted; however, new advances in coincidence imaging technologies allow for overcoming these limitations by parallelizing multiple measurements. Here we introduce biphoton digital holography, in analogy to off-axis digital holography, where coincidence imaging of the superposition of an unknown state with a reference state is used to perform quantum state tomography. We apply this approach to single photons emitted by spontaneous parametric down-conversion in a nonlinear crystal when the pump photons possess various quantum states. The proposed reconstruction technique allows for a more efficient (three orders of magnitude faster) and reliable (an average fidelity of 87%) characterization of states in arbitrary spatial modes bases, compared with previously performed experiments. Multiphoton digital holography may pave the route toward efficient and accurate computational ghost imaging and high-dimensional quantum information processing.

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