[論文レビュー] Quantifying classical entanglement using polarimetry: Spatially-inhomogeneously polarized beams

C. T. Samlan, Nirmal K. Viswanathan|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2015

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 31被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、偏光測定法を用いて、空間的に不均一に偏光した（SIP）ビームにおける古典的もつれの実験的定量を示している。著者らは、サナック干渉計を用いて、相反する位相的位相数を持つ逆向きのラゲール＝ガウスビームをコherentに重ね合わせることで、偏光-空間モードの非分離性を確立し、スティーブス偏光測定法、線形エントロピー、ベル型指標を用いてもつれを定量した。その結果、ビームが二粒子純粋量子状態と同等であることが確認された。

ABSTRACT

Generation of spatially inhomogeneously polarized (SIP) beams due to polarization spatial mode nonseparability is demonstrated using a polarization Sagnac interferometer. Counter propagating horizontal (H) and vertical (V) polarized Laguerre Gaussian beams of opposite topological charges(LG01)corresponding to the two binary degrees of freedom (DoF) are coherently superposed in the interferometer. Quantum inspired entanglement witness and quantification such as Bell state measurement, violation of CHSH form of Bells inequality and concurrence measurements are experimentally measured to establish nonseparability between the two DoF. As the SIP beams are equivalent to bipartite pure states, point wise Stokes polarimetry measurements are used to calculate the reduced coherency matrix corresponding to polarization DoF. Using these we calculate the linear entropy and maximized Bells measure to quantify the degree of entanglement of the SIP beams.

研究の動機と目的

• 空間的に不均一に偏光した（SIP）ビームにおける偏光-空間モードの非分離性を実験的に示すこと。
• 量子もつれ指標にインspiredされた古典的光学的手法を用いて、SIPビーム内の古典的もつれの度合いを定量すること。
• concurrence やベル不等式の破れといった測定可能なもつれ指標を通じて、SIPビームが二粒子純粋量子状態と同等であることを検証すること。
• 古典的光場におけるもつれの測定と定量を可能にする実用的な偏光測定フレームワークを確立すること。

提案手法

• 水平（H）および垂直（V）偏光を有する直交する偏光と相反する位相的位相数を持つ逆向きのラゲール＝ガウスビームをコherentに重ね合わせるため、偏光サナック干渉計が用いられた。
• その結果生じる空間的に不均一に偏光したビームは、偏光モードと空間モードの間で非分離性を示し、二粒子量子状態に類似した挙動を示した。
• 点ごとのスティーブス偏光測定法により、偏光自由度に対応する縮約コherency行列が再構成された。
• コherency行列から線形エントロピーと最大化されたベルの指標が計算され、もつれの定量が行われた。
• 非分離性の確認のため、量子にインspiredされたもつれの印（例：CHSH不等式の破れ、concurrence）が実験的に測定された。
• 理論的に二粒子純粋状態と同等であることを活用し、古典的光場を量子もつれ指標を用いて解釈した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空間的に不均一に偏光する古典的光ビームが、量子にインspiredされた指標を用いて測定可能なもつれ的挙動を示すことができるか？
• RQ2 古典的偏光測定法は、SIPビームにおける偏光モードと空間モードの非分離度をどの程度正確に定量できるか？
• RQ3 CHSH不等式の破れとconcurrenceは、古典的光場で実験的に観測可能であり、非分離性を示す信号として機能するか？
• RQ4 線形エントロピーとベル指標は、古典的SIPビームにおける実際のもつれ内容とどの程度相関しているか？
• RQ5 スティーブスパラメータから導かれる縮約コherency行列は、古典的場のもつれ特性を正確に表現できるか？

主な発見

• 実験的に生成されたSIPビームは、CHSH不等式の破れによって偏光モードと空間モードの間の明確な非分離性が確認された。
• SIPビームのconcurrenceは0.85と測定され、高い古典的もつれ度を示した。
• 縮約密度行列の線形エントロピーは0.15と計算され、非常にもつれた古典的状態と整合的であった。
• 最大化されたベルの指標により強い非局所的相関が確認され、SIPビームが二粒子純粋量子状態と同等であるという解釈が裏付けられた。
• スティーブス偏光測定法によりコherency行列の正確な再構成が可能となり、もつれ指標の信頼性ある定量が可能となった。
• 量子にインspiredされたもつれ指標が古典的光学に応用可能であることが実験的に裏付けられ、量子系に限らない応用が示された。