[論文レビュー] Witnessing the survival of time-energy entanglement through biological tissue and scattering media

Daniel J. Lum, Michael D. Mazurek+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 67被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、自己誘導非線形効果による時間-エネルギーもつれ光子が、厚い生物学的組織を通過した後でも非局所的量子相関を保持できることを示している。スキムミルク（最大1.556 mm）、2%ミルク（286 μm）、チキンブレスト（235 μm）を通過した結果、干渉対比度が90%を超えた。これは、生物学的イメージング応用に適した散乱性が強い媒体内でももつれが強く保たれることを示している。

ABSTRACT

We demonstrate the preservation of time-energy entanglement of near-IR photons through thick biological media ($\leq$1.55 mm) and tissue ($\leq$ 235 $\mu$m) at room temperature. Using a Franson-type interferometer, we demonstrate interferometric contrast of over 0.9 in skim milk, 2% milk, and chicken tissue. This work supports the many proposed opportunities for nonclassical light in biological imaging and analyses from sub-shot noise measurements to entanglement-enhanced fluorescence imaging, clearly indicating that the entanglement characteristics of photons can be maintained even after propagation through thick, turbid biological samples.

研究の動機と目的

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• 室温下で、時間-エネルギーもつれが厚い散乱性生物学的組織内を通過しても生存するかどうかを調査すること。
• 強い散乱および吸収が生じる中でも、時間とエネルギーにおける非古典的相関が量子強化生物学的イメージングに有効であることを実証すること。
• コンactな安定性を有するフランツン干渉計を用いて、能動的位相安定化を施さずに複雑な生物学的媒体内でのもつれの観測を検証すること。

提案手法

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• 偏光ビームスプリッターとウェーブプレートを備えた修正版「ハグイング」型フランツン干渉計を用い、一致計数における非局所的干渉を測定した。
• 光子はタイプIの自己誘導非線形効果（SPDC）により生成され、空間モードの不一致を最小限に抑えるために単モードファイバーに結合された。
• 一方のアームにおける光路長を半波長板を用いて変化させ、位相設定ごとに一致率をモニタリングすることで、干渉対比度を測定した。
• 検出器の前段に偏光子を設置し、経路情報の消去を図り、経路を特定できない状態で量子干渉を観測した。
• システムは能動的位相安定化を用いずに運用され、機械的安定性とコンactな折りたたみ構造により、コherenに維持された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 .
• RQ2 時間-エネルギーもつれは100 μmを超える厚さの生物学的組織内を通過しても生存可能か？
• RQ3 時間-エネルギーもつれが保持可能な生物学的組織の最大厚さはどの程度か？
• RQ4 生物学的媒体内の散乱および吸収は、時間-エネルギーもつれ光子の非局所的干渉の可視度にどのように影響するか？
• RQ5 コンactで位相安定化を行わないフランツン干渉計は、散乱性生物学的試料内でのもつれの信頼できる観測が可能か？

主な発見

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• スキムミルクでは最大1.556 mmの厚さまで干渉対比度が90%を超えた。これは時間-エネルギーもつれの生存を確認するものである。
• 2%ミルクでは286 μmまでもつれが生存し、干渉対比度が90%を超えた。
• チキンブレスト組織では、235 μmまでの厚さの試料を通過しても時間-エネルギーもつれが維持され、可視度が90%を超えた。
• 測定された干渉対比度は、CHSH-Bell不等式を破るのに必要な70.7%の閾値を顕著に上回り、非古典的相関が確認された。
• 結果から、時間-エネルギーもつれは生物学的媒体内の散乱および吸収に対して強く、量子強化蛍光イメージングおよびセンシングへの応用が可能であることが示唆された。