[論文レビュー] Quantum Indistinguishability by Path Identity: The awakening of a sleeping beauty

Armin Hochrainer, Mayukh Lahiri+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2021

Quantum Mechanics and Applications参考文献 216被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、光子対の生成経路が区別不能であるという量子力学的原理「パス・アイデンティティ」を導入する。この原理により、経路情報が生成源で消去され、後続の処理ではなく、元々の生成段階で消失する。これにより、相互作用した光子を検出しなくても、量子イメージング、分光法、もつれ状態の生成が可能となり、パス・アイデンティティに基づく構成により、高コントラストの干渉と非古典的相関が達成される。

ABSTRACT

Two photon-pair creation processes can be arranged such that the paths of the emitted photons are identical. Thereby the path information is not erased but is never born in the first place. In addition to its implications for fundamental physics, this concept has recently led to a series of discoveries in the fields of imaging, spectroscopy, and quantum information science. Here we present the idea of path identity and provide a comprehensive review of the recent developments.

研究の動機と目的

• 経路情報が発生経路が区別不能であるため、記録されないという状況におけるパス・アイデンティティの概念を形式化・一般化すること。
• パス・アイデンティティが、誘導放出や経路消去なしに非古典的干渉と量子相関を生じさせることを示すこと。
• Zou-Wang-Mandel実験を、未検出の光子を用いた量子イメージング、分光法、量子情報分野における新しい応用に拡張すること。
• グラフ理論的手法を用いて、スケーラブルな量子実験の設計に向けたパス・アイデンティティの基礎的原則を確立すること。
• パス・アイデンティティが、将来の量子技術のための原子系やフェルミオン系を含む非光学系に応用可能かどうかを検討すること。

提案手法

• 空間的に重なった結晶経路を用いた自己発光的位相一致（SPDC）を用い、光子対の発生経路を区別不能にすること。
• 干渉計の構成により、信号光子の経路が区別不能であるようにし、経路情報が一切記録されないようにすること。
• 量子コherence理論と補完性原理を用いて、パス・アイデンティティ系における干渉および非古典的振るまいを分析すること。
• グラフ理論を用いて、パス・アイデンティティに基づく線形光学実験を体系的に設計・分類し、スケーラブルな量子状態工学を可能とすること。
• 信号光子（検出済み）とイダー光子（物体と相互作用）が異なる波長を持つ二波長方式を採用し、検出可能な波長で測定を可能とすること。
• 不完全な下変換を多体系に一般化することで、多光子干渉を実証し、高次元および多光子もつれ状態の生成を可能とすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パス・アイデンティティを用いることで、物体と相互作用した光子を検出しなくても、量子イメージングや分光法を実現できるか？
• RQ2 パス・アイデンティティを用いることで、直接的相互作用や測定なしに高次元および多光子もつれ状態を生成できるか？
• RQ3 パス・アイデンティティ系の干渉特性を多光子プロセスに一般化し、量子計算に応用可能か？
• RQ4 パス・アイデンティティは、原子やフェルミオンといった非光子系へ拡張可能か？その実験的要件は何か？
• RQ5 パス・アイデンティティにより、1つの光子の測定のみでもつれを検出可能か？これはGHZ型のパラドックスに一般化可能か？

主な発見

• パス・アイデンティティにより、未検出のイダー光子（物体と相互作用）であっても、検出された信号光子を用いて物体の情報を再構成できる量子イメージングが実現される。
• Zou-Wang-Mandel実験により、未検出の光子に対する位相差測定が干渉により可能であることが示され、パス・アイデンティティが経路消去なしに非古典的相関を生じることを裏付けた。
• 二波長系では高コントラストの干渉縞が観測され、波長依存性が実験的に確認され、深紫外またはTHz領域のイメージングが可能となった。
• パス・アイデンティティにより、区別不能な発生経路を介して単一光子および高次元もつれ状態が生成可能となり、従来の光源とは異なりスケーラブルな代替手段を提供する。
• パス・アイデンティティに基づく系で多光子干渉が実証され、不完全な下変換が多体系量子状態に一般化され、量子計算への応用が期待される。
• パス・アイデンティティ実験のグラフ理論的モデリングにより、複雑な量子光学ネットワークの体系的設計が可能となり、効率性とスケーラビリティが向上した。