[論文レビュー] Entanglement Enabled Intensity Interferometry

Jordan Cotler, Frank Wilczek|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2015

Digital Holography and Microscopy参考文献 10被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、エンタングルメントと検出器における射影を活用することで、同一粒子に限定されないハナリー・ブラウン＝ツヴィッス强度干渉計を拡張する、新規な量子測定技術であるエンタングルメント有効強度干渉計（E2I2）を提案する。これにより、直交偏光を有する光子、異なる波長、さらには光子と電子といった区別可能な粒子間の干渉が可能となり、偏光相関や量子もつれといった新たな物理量を測定可能となる一方で、局所的超選択則に挑戦する。

ABSTRACT

Intensity interferometry (Hanbury Brown - Twiss effect) is an interesting and useful concept that is usually presented as a manifestation of the quantum statistics of indistinguishable particles. Here, by exploiting possibilities for project and entanglement, we substantially widen the scope of its central idea, removing the requirement of indistinguishability. We thereby potentially gain access to a host of new observables, including subtle polarization correlations and entanglement itself. Our considerations also shed light on the physical significance of superselection.

研究の動機と目的

• 量子もつれと検出器における射影を活用することで、同一粒子である必要がない強度干渉計の拡張を図ること。
• 直交偏光を有する光子、異なる波長、さらには光子と電子の間でも干渉効果が観測可能であることを示すこと。
• 修正された検出スキームを通じて、微細な偏光相関やもつれといった新たな量子観測量を明らかにすること。
• 検出器状態を混合基底で測定することで、異なる量子振幅間の干渉が生じることを示唆し、局所的超選択則の妥当性に挑戦すること。

提案手法

• 最終状態がエンタングルド検出器状態を含む複数の経路を通じてアクセスされる一般化された干渉計フレームワークを用い、通常は区別可能な過程同士の干渉を可能にする。
• 検出器における射影演算子を用いて検出器波動関数の成分を特定的に測定することで、粒子が区別可能であっても干渉を実現する。
• コアとなるメカニズムは、各発光源の振幅とその複素共役が干渉項に現れることで、独立した位相ノイズが相殺され、相対位相情報が保持されることに依存する。
• 検出器または原子のエンタングルド状態を用いて、異なる源や崩壊経路からの振幅間の干渉を可能にする重ね合わせ状態を生成する。
• 混合基底測定戦略を適用し、$\frac{1}{\sqrt{2}}(|\text{DD}\rangle|\text{EE}\rangle + |\text{DD}\rangle|\text{EE}\rangle)$ のようなエンタングルド検出器状態に射影することで、相対位相情報を抽出する。
• 原子キュービットを位相に敏感な検出器として用いることで、経路再結合を要しないマハーズェンダー型干渉計や単一源の崩壊系など、さまざまな設定にこの手法を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 直交偏光を有する光子や異なる波長の光子といった区別可能な粒子に対しても、強度干渉計を拡張できるか？
• RQ2 検出器におけるエンタングルメントと射影は、強度干渉計において非同一粒子間の干渉をどのように可能にするか？
• RQ3 検出器状態の重ね合わせが、量子振幅間の相対位相情報をどのようにアクセス可能にするか？
• RQ4 2つの異なる崩壊経路が寄与する単一源崩壊過程においても干渉効果が観測可能か？
• RQ5 このフレームワークは、量子力学における局所的超選択則の妥当性をどの程度挑戦するか？

主な発見

• E2I2は、同一性の要請により通常のハナリー・ブラウン＝ツヴィッス干渉計では干渉しない直交偏光光子間の干渉を可能にする。
• エンタングルド検出器状態に射影することで、$C \to DD$ および $C \to EE$ のような崩壊過程における確率振幅の相対位相を測定可能である。
• 経路再結合を要しないマハーズェンダー型構成において、エンタングルド原子状態を位相検出器として用いることで干渉が観測され、局所的測定による非局所的干渉を実証する。
• 局所的射影から生じる干渉項 $|D_{1A} + D_{1B}|^2$ は、ビームを再結合せずに非局所的位相情報を抽出できることを示している。
• このフレームワークは、超選択領域によって無効とされる振幅間の干渉が生じることから、局所的超選択則の一部の形式の破れを示している。
• この技術は、強度ベースの検出スキームを用いて、もつれや偏光もつれといった微細な量子相関を測定する道筋を提供する。