[論文レビュー] Is a Single Photon Always Circularly Polarized? A Proposed Experiment using a Superconducting Microcalorimeter Photon Detector

Alan M. Kadin, Steven B. Kaplan|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2014

Quantum Information and Cryptography参考文献 17被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、1つの光子が本質的に右回り・左回りの円偏光状態にあるのか、あるいは線形偏光状態として存在できるのかを検証するため、1eV未満のエネルギー分解能を持つ超伝導マイクロカロリメータを用いた実験を提案している。この手法は、高精度なエネルギー損失測定により、1光子と光子対を区別する。その目的は、光子スピンと偏光に関する基礎的量子力学的論争を解決することであり、線形偏光状態の光子が右回り・左回りの円偏光状態の重ね合わせであることが示された場合、量子もつれや非局所性といった核心的概念に挑戦する可能性がある。

ABSTRACT

A single photon is well known to have spin S = hbar, which would correspond to circular polarization, and all quantum transitions with photon absorption or emission correspond to DeltaS = +/-hbar. However, it is also widely believed that a single photon may be linearly polarized, which would correspond to a state with S = 0. Indeed, linearly polarized single photons are central to most quantum entanglement experiments. On the contrary, it has recently been suggested (based on a realistic spin-quantized wave picture of quantum states) that a linearly polarized photon state must be a superposition of a pair of circularly polarized photons, each with S = +/-hbar. This question cannot be resolved using a conventional photon detector, which generally cannot distinguish one photon from two simultaneous photons. However, it can be addressed using a superconducting microcalorimeter detector with sub-eV energy resolution and high quantum efficiency (QE). A careful experiment demonstrating this photon pairing could place in question some of the paradoxical central foundations of modern quantum theory, including quantum entanglement and nonlocality.

研究の動機と目的

• 光子の偏光の本質的性質を検証すること、具体的には1つの光子が常に円偏光状態にあるのか、あるいは線形偏光状態として存在できるのかを明らかにすること。
• 線形偏光状態の光子がスピンS = ±ħを有する円偏光状態の重ね合わせであるかどうかという、長年の量子力学的論争を解決すること。
• 従来の光子検出器が1光子と光子対を区別できないことにより、もつれや非局所性の解釈に根本的な仮定が損なわれることはないかを検討すること。
• 高分解能超伝導マイクロカロリメータを用いた単一光子エネルギー測定が、基礎的量子理論を検証する上で実現可能であることを示すこと。
• 線形偏光状態の単一光子が基本状態であるという仮定を覆し、代わりに右回り・左回りの円偏光状態の量子重ね合わせである可能性を提起すること。

提案手法

• 1eV未満のエネルギー分解能を有する超伝導マイクロカロリメータを用い、高い量子効率で個々の光子を検出する。
• 入射光子のエネルギー損失を測定することで、1光子（エネルギーE）と2同時光子（エネルギー2E）を区別する。
• パラメトリックダウンコンバージョンまたは類似の手法により制御された線形偏光状態の単一光子を発生させ、検出器に照射する。
• エネルギースペクトルを解析し、観測信号が1光子（エネルギーE）に一致するか、2光子（エネルギー2E）に一致するかを特定し、線形偏光状態が2つの円偏光状態の重ね合わせであるかを検証する。
• 光子スピンと偏光を解釈するため、実際のスピン量子化波モデルを適用する。
• 検出器の高い時間分解能およびエネルギー分解能を活用し、個々の光子イベントの量子的性質を最小限の曖昧さで解明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの光子は本質的にスピンS = ħを有する右回り・左回りの円偏光状態にあるのか、それともスピンS = 0の線形偏光状態として存在できるのか？
• RQ2 線形偏光状態の単一光子が、それぞれスピンS = ±ħを有する2つの円偏光状態の重ね合わせであることが実験的に示せるか？
• RQ3 従来の検出器が1光子イベントと光子対を区別できないことにより、もつれや非局所性に関する主要な仮定が無効化される可能性はあるか？
• RQ4 1eV未満のエネルギー分解能を有する超伝導マイクロカロリメータが、1回の検出イベントで1光子と2光子を明確に区別できるか？
• RQ5 線形偏光状態の光子が右回り・左回りの円偏光状態の重ね合わせであると確認された場合、量子論的基礎にどのような影響が生じるか？

主な発見

• 提案された実験は、1eV未満のエネルギー分解能を用いて、1光子と光子対を区別可能であり、光子の偏光性質を直接検証できる。
• 線形偏光状態に対してエネルギーEが検出された場合、その状態がスピンS = ±ħを有する2つの円偏光状態の重ね合わせであるという見解を支持する。
• エネルギー2Eが検出された場合、2つの同時光子が存在することを示し、線形偏光状態が単一の量子的実体であるという仮定に反する。
• 線形偏光状態の光子が2つの円偏光状態の光子から成る場合、もつれや非局所性の基礎的役割が揺るがされる可能性がある。
• エネルギー損失のパターンが1光子に一致するか2光子に一致するかによって、結果が決まり、スピン量子化波モデルの検証に決定的なテストが可能になる。
• 結果が線形偏光状態の光子が基本状態であると仮定する量子理論の解釈を再評価する必要がある可能性がある。