[論文レビュー] Multiphoton non-local quantum interference controlled by an undetected photon

Kaiyi Qian, Kai Wang+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2021

Quantum Information and Cryptography被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、光子生成における経路の不相違性と重ね合わせに基づく干渉を生じる4光子の積状態を用いて、もつれを必要としない多光子非局所量子干渉を示している。主な結果は、検出されない光子によって干渉が制御可能であり、もつれではなく経路の不相違性に起因する非局所量子効果を明らかにしている。

ABSTRACT

The interference of quanta lies at the heart of quantum physics. The multipartite generalization of single-quanta interference creates entanglement, the coherent superposition of states shared by several quanta. Entanglement allows non-local correlations between many quanta and hence is a key resource for quantum information technology. Entanglement is typically considered to be essential for creating non-local correlations, manifested by multipartite interference. Here, we show that this is not the case and demonstrate multiphoton non-local quantum interference without entanglement of any intrinsic properties of the photons. We harness the superposition of the physical origin of a four-photon product state, which leads to constructive and destructive interference of the photons' mere existence. With the intrinsic indistinguishability in the generation process of photons, we realize four-photon frustrated quantum interference. We furthermore establish non-local control of multipartite quantum interference, in which we tune the phase of one undetected photon and observe the interference of the other three photons. Our work paves the way for fundamental studies of non-locality and potential applications in quantum technologies.

研究の動機と目的

• もつれが非局所量子干渉に不可欠であるという従来の考えを挑戦すること。
• 4光子系における多光子の挫折した量子干渉（MFI）を実験的に実現すること。
• 検出されない光子を用いて非局所干渉を制御すること。
• 経路の不相違性とコherenceが非局所量子効果を生成する上で果たす基盤的役割を調査すること。

提案手法

• 4つの非線形結晶を用いた自己蛍光パラメトリック下変換（SPDC）により生成される4光子積状態を用い、光子生成における内在的不相違性を活用する。
• 干渉がもつれ状態ではなく、物理的起源（経路モード）の重ね合わせから生じるよう系を設計する。
• 検出されない光子の位相を調整し、残りの3光子の干渉パターンに与える影響を観測する。
• 余分な結晶（V–VIII）を用いてノイズキャンセレーション技術を適用し、不正な寄与を抑圧し、3光子干渉の可視度を100％まで向上させる。
• 経路モードと光子対源のグラフ表現を用いて、干渉過程におけるノイズ項を体系的に同定・キャンセルする。
• GHZ状態と二粒子積状態の挙動を比較し、非局所干渉における経路同一性と検出されない光子の位相の役割を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 もつれを伴わない状態でも非局所量子干渉が生じ得るか？
• RQ2 検出されない光子が、他の光子の干渉パターンに非局所的に影響を与えることができるか？
• RQ3 経路の不相違性と物理的起源の重ね合わせが、非局所量子効果を生成する上で果たす役割は何か？
• RQ4 多光子系における非局所干渉は、本質的にもつれに依存しているのか、それとも生成過程におけるコherenceに起因して生じるのか？

主な発見

• 光子の内在的性質にもつれが存在しない4光子系においても非局所量子干渉が観測された。
• 検出されない光子の位相を調整することで干渉パターンが制御され、測定を伴わない非局所的影響が実証された。
• 4つの追加の結晶を用いたノイズ項の破壊的干渉により、3光子干渉の可視度が100％まで向上した。
• 非局所効果はもつれではなく、光子生成における物理的起源の重ね合わせと不相違性に起因する。
• 二粒子積状態（|Ψ_product⟩）においても、検出されない光子の経路が不相違である限り干渉が持続し、経路同一性そのものが非局所効果を生成できることを示した。
• 実験により、非局所量子干渉はもつれの必要性を排除し、ソースプロセスにおけるコherenceによって実現可能であることが確認された。