[論文レビュー] Teleporting Grin of a Quantum Chesire Cat without cat

Debmalya Das, Arun Kumar Pati|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2019

Quantum Mechanics and Applications被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、光子（ネコ）が物理的に存在しない状態で、量子チェスィア・キャットの円偏光（grin）をテレポートするプロトコルを提案する。干渉計の設定において弱測定と後選別を用い、アリスからボブへEPRもつれ状態を介して偏光がテレポートされる。これは、偏光がその元の系とは独立して存在し、移動可能であることを示し、量子力学における性質と粒子の永久的分離を明らかにする。

ABSTRACT

Quantum Chesire Cat is a counterintuitive phenomenon that provides a new window into the nature of the quantum systems in relation to multiple degrees of freedom associated with a single physical entity. Under suitable pre and postselections, a photon (the cat) can be decoupled from its circular polarization (its grin). In this paper, we explore whether the grin without the cat can be teleported to a distant location. This will be a totally disembodied teleportation protocol. Based on the original Quantum Chesire Cat setup, we design a protocol where the circular polarization is successfully teleported between two spatially separated parties even when the photon is not physically present with them. The process raises questions in our understanding about properties of quantum system. In particular it shows that question like ``whose polarization is it'' can prove to be vacuous in such scenario.

研究の動機と目的

• 量子チェスィア・キャットの偏光（grin）が、光子（ネコ）が物理的に存在しない状態でテレポート可能かどうかを調査すること。
• このような離体的テレポートが、量子性質の本質およびその所有権に与える影響を検討すること。
• テレポーテーションの実行者が入力状態を全く知らない状態でも、テレポートが成功することを示すこと。
• 元の状態のgrinがテレポーテーションの目的地ではなく、テレポーテーション装置の位置で終わるという直感に反する状況を分析すること。

提案手法

• 入力光子の空間的経路から円偏光を分離するため、事前選別と事後選別を用いたマハランスキー干渉計の設定を採用する。
• 干渉計の左腕および右腕における弱測定を実装し、弱値を用いて空間的および偏光的分離を確認する。
• アリスとボブの間で共有されたアインシュタイン＝ポドルスキー＝ローゼン（EPR）もつれ状態を用いて、分離された偏光のテレポートを可能にする。
• アリスとボブが入力状態の詳細を知らないまま、局所的量子操作と古典的通信（LOCC）を用いてテレポートプロトコルを完了する。
• 成功したテレポートを確認し、デイブの地点での弱測定により、偏光がボブの位置に到着したことを後選別で検証する。
• 位置および偏光演算子の弱値を分析し、空間的分離を確認する：$(\Pi_L)^w = 1$, $(\Pi_R)^w = 0$, $(\sigma_z^{L})^w = 0$, $(\sigma_z^{R})^w = 1$。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光子そのものがテレポート地点に物理的に存在しない状態で、光子の偏光をテレポートすることは可能か？
• RQ2 元の光子が空間的に分離されている場合、受信者に到着する偏光の性質は何か？
• RQ3 事後選別によって系とその性質が永久的に分離された場合、量子性質の所有権はどのように変化するか？
• RQ4 テレポーテーション装置が入力状態を全く知らない状態で、量子情報はどの程度正確に転送可能か？
• RQ5 二体の量子チェスィア・キャットの「grin」を入れ替えるテレポートプロトコルが示す意味は何か？

主な発見

• EPRもつれ状態を介して、光子がアリスやボブの位置に物理的に存在しない状態でも、円偏光がボブに成功裏にテレポートされた。
• 弱測定により、光子は左腕に局在していることが確認された（$(\Pi_L)^w = 1$）一方で、偏光は右腕に存在していた（$(\sigma_z^{R})^w = 1$）ことから、空間的分離が実証された。
• アリスやボブが入力偏光状態を知らないままでもテレポートが成功したため、測定の崩壊を回避し、プロトコルの整合性が保たれた。
• ボブに到着した偏光は元の入力状態由来であるが、その移動の終着地点はアリスのポートに位置しており、これは「grin」が受信者に帰属しないことを示している。
• テレポート後、アリスは光子が存在しない状態で元の偏光を所有しており、ボブは偏光のない光子を所有している。これは、系と性質の永久的分離を示している。
• このプロセスにより、このような事後選別状況では「どの偏光か」という問いが意味を失い、量子力学における性質所有の古典的直感が揺るがされることを明らかにした。