[論文レビュー] How to administer an antidote to Schr\"{o}dinger's cat

Juan-Rafael Álvarez, Mark IJspeert+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2021

Quantum Mechanics and Applications被引用数 1

ひとこと要約

本論文では、光子系がビームスプリッタの所定の出力ポートから常に出射するように保証する量子フィードバックプロトコルを提示している。時間分解能を有するHong-Ou-Mandel干渉と、最初の光子検出後に条件付き位相シフトを適用することで、2番目の光子を事前に定義された出力に誘導し、量子の不確実性にもかかわらずスリーマンの猫が常に生きていると観測されることを保証する。

ABSTRACT

In his 1935 Gedankenexperiment, Erwin Schr\"{o}dinger imagined a poisonous substance which has a 50% probability of being released, based on the decay of a radioactive atom. As such, the life of the cat and the state of the poison become entangled, and the fate of the cat is determined upon opening the box. We present an experimental technique that keeps the cat alive on any account. This method relies on the time-resolved Hong-Ou-Mandel effect: two long, identical photons impinging on a beam splitter always bunch in either of the outputs. Interpreting the first photon detection as the state of the poison, the second photon is identified as the state of the cat. Even after the collapse of the first photon's state, we show their fates are intertwined through quantum interference. We demonstrate this by a sudden phase change between the inputs, administered conditionally on the outcome of the first detection, which steers the second photon to a pre-defined output and ensures that the cat is always observed alive.

研究の動機と目的

• 初期の量子的ランダムネスにかかわらず所望の測定結果を保証する量子フィードバックプロトコルの開発。
• 測定後の干渉を利用して、量子測定結果を後から制御できることを実証すること。
• 最初の光子の検出に基づいて2番目の光子の経路を所定の出力に誘導する光子系の実現。
• 測定に基づくフィードバックによる量子制御が、重ね合わせ状態における確率的結果を覆すことができることの検証。

提案手法

• 実験では、1 MHzの繰り返しレートで逐次発生する2つの長い二重ヒルプ光子を用いる。
• 300 mの光路遅延ラインにより、最初の光子と2番目の光子がビームスプリッタに同時に到着するようにする。
• 最初の光子の検出結果に基づき、電気光学モジュレータを用いて2番目の光子の入力の相対位相を条件付きで変更する。
• ビームスプリッタ内での量子干渉により束縛行動が生じ、位相シフトにより2番目の光子が事前に定義された出力ポートから出射するかどうかが制御される。
• 最初の検出結果が位相調整をトリガーとするフィードバックループを用いる。
• プロトコルは時間分解能を有するHong-Ou-Mandel干渉に依存し、検出時間差τを用いて干渉パターンをマッピングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 固有の量子的ランダムネスがあっても、測定に基づくフィードバックプロトコルが量子系を所望の結果に誘導できるか。
• RQ2 遅延的な形で、量子干渉をどれだけ後から測定結果を制御するために利用できるか。
• RQ3 最初の検出後に2番目の光子の位相を操作することで、ビームスプリッタを通る特定の光子経路を保証することは可能か。
• RQ4 条件付き位相制御は、時間分解能を有するHOM実験における2番目の光子のルーティングにどのように影響するか。
• RQ5 このプロトコルを用いることで、確率的崩壊から量子系を救い、所望の結果（例：生きている猫）を常に保証できるか。

主な発見

• フィードバックプロトコルは、猫が常に生きていると観測されるように保証する忠実度を達成し、2番目の光子を事前に定義された出力ポートに効果的に誘導した。
• 最初の光子の検出後に条件付き位相シフトを施すことで、干渉パターンが変化し、2番目の光子の経路制御が可能になった。
• フィードバック条件下では、0.94回の一致が1バイナリーあたり観測されたのに対し、φ = πのときには1.40に達しており、これは有効な制御を示している。
• バックグラウンド補正済みの一致ヒストグラムでは、フィードバックを適用した際、望ましくない結果が明確に抑制された。
• 2 µsの時間遅延から導かれる正規化係数は、期待される4パス構造を確認し、実験モデルの妥当性を裏付けた。
• 信号数の最尤推定により、背景ノイズからの真の量子相関が明確に分離され、測定の信頼性が確認された。