[論文レビュー] The Complete Quantum Cheshire Cat

Yelena Guryanova, Nicolas Brunner+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2012

Quantum Mechanics and Applications被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、エンタングルされた事前・事後選択量子状態を用いて、光子がすべての偏光成分から完全に分離される完全な量子チシャリーキャットを提案する。事前・事後選択状態の重ね合わせをエンタングルされた選択で設計することで、光子の経路と偏光が空間的に分離され、弱い測定と現在の光学技術で実現可能な手法により、完全に身体を持たない物理的性質が実証された。

ABSTRACT

We show that a physical property can be entirely separated from the object it belongs to, hence realizing a complete quantum Cheshire cat. Our setup makes use of a type of quantum state of particular interest, namely an entangled pre- and post-selected state, in which the pre- and post-selections are entangled with each other. Finally we propose a scheme for the experimental implementation of these ideas.

研究の動機と目的

• 物理的性質がそのキャリアから完全に分離可能であることを示し、以前のモデルで観察された部分的な分離を越えること。
• 光子がすべての偏光成分から空間的に分離された量子状態を構築し、完全なチシャリーキャット効果を達成すること。
• 現在の技術で実現可能な実験的光学セットアップを提案し、完全な量子チシャリーキャットを実現・検証すること。
• エンタングルされた事前・事後選択に依存することで、この効果が古典的類似物とは明確に異なる真に量子的性質であることを強調すること。

提案手法

• マック・ゼンダ干渉計を用い、系光子とアタッチ光子を含む、エンタングルされた事前・事後選択状態を含む重ね合わせ状態に準備する。
• 事前選択状態は、系光子が左/右の経路にある状態と、特定の偏光状態がアタッチ光子の偏光とエンタングルされた重ね合わせである。
• 事後選択は、系とアタッチ光子をスレーター状態に射影することで実装され、状態が二つの異なる事前・事後選択状態の重ね合わせに収束する。
• 弱い測定により、各アームにおける経路と偏光を測定し、状態を破壊せずに測定する。指針のずれはCCDカメラや到着時間測定法により測定される。
• 弱い値 ⟨A⟩_w = ⟨Φ|A|Ψ⟩ / ⟨Φ|Ψ⟩ を用いて、経路と偏光演算子の弱い値を計算し、非古典的相関を検出可能にする。
• 実験的実装では、二価性の要素とビームディスプレーアーを用い、偏光と経路自由度を横方向または時間的ビームプロファイルを指針として弱く結合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物理的性質が、そのキャリアから完全に分離可能であり、物体に残る成分が一切ない状態は可能か？
• RQ2 どのような量子状態構造が粒子とそのすべての性質の完全な分離を可能にするか？
• RQ3 強い測定の反作用を及ぼさずに、弱い測定をどのように用いて性質とそのキャリアの空間的分離を観測できるか？
• RQ4 完全なチシャリーキャット効果は真に量子的であるか、それとも古典的にシミュレート可能か？
• RQ5 現在の光学技術で実現可能で、完全な量子チシャリーキャットを実験的に実現・検証できる実験的セットアップは何か？

主な発見

• 本稿では、二つの事前・事後選択状態の重ね合わせ |Φ⟩|Ψ⟩ + |Φ′⟩|Ψ′⟩ を構築し、光子がすべての偏光成分から空間的に分離されている。
• 左アームにおける経路演算子の弱い値が 1 に達することから、光子が左アームに局在していることが示され、右アームにおける円偏光演算子の弱い値が 1 に達することから、偏光が完全に右アームに存在していることが示された。
• 線形偏光成分についても完全に分離されている：左アームにおける σ_x および σ_y の弱い値は 0 に達し、光子に偏光が残っていないことが確認された。
• このスキームは、エンタングルされた事前・事後選択に依存しており、この効果が真に量子的であり、古典的類似物がないことを保証している。
• 実験的提案では、系-アタッチ光子のエンタングルメントと、スレーター状態への共同事後選択により、必要な状態準備が可能である。
• 弱い測定による経路および偏光の測定が、ビームディスプレーアーとCCD検出、または到着時間測定法により実現可能であることを示し、セットアップの実現可能性が確認された。