[논문 리뷰] An ideal experiment to determine the 'past of a particle' in the nested Mach-Zehnder Interferometer

Li, Fu, Hashmi, F. A.외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 27.

Quantum Mechanics and Applications인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 표준 양자역학을 사용하여 중첩된 맥스-체너드 간섭계에서 광자의 과거 경로를 결정하기 위한 이상적인 양자 비파괴 측정(QND) 실험을 제안한다. 약한 측정이 간섭을 교란하는 것과는 달리, QND 설정은 어두운 포트의 간섭 최소화를 유지하며, 검출되었을 때 광자는 내부 간섭계에 흔적을 남기지 않고 오직 외부 경로를 통과함을 드러낸다. 이는 전방과 후방 진화 파동함수의 겹침 영역에 광자가 '있었다'는 두 상태 벡터 형식(TSVF)의 주장과 정면으로 배치된다.

ABSTRACT

An ideal experiment is designed to determine the past of a particle in the nested Mach-Zehnder interferometer (MZI) by using standard quantum mechanics with quantum non-demolition measurements. We find that when the photon reaches the detector, it only follows one arm of the outer interferometer and leaves no trace in the inner MZI; while when it goes through the inner MZI, it cannot reach the detector. Our result obtained from the standard quantum mechanics is contradict to the statement based on two state vector formulism, "the photon did not enter the (inner) interferometer, the photon never left the interferometer, but it was there". Therefore, the statement and also the overlap claim are incorrect.

연구 동기 및 목표

• 중첩된 맥스-체너드 간섭계에서 양자 입자의 '과거'에 대한 논란을 해결하기 위해.
• 전방과 후방 진화 파동함수의 겹침 영역에서 광자가 존재했다는 두 상태 벡터 형식(TSVF)의 주장의 타당성을 시험하기 위해.
• 양자 비파괴(QND) 측정을 사용하여 간섭을 교란하지 않고 경로 정보를 드러내는 실험을 설계하기 위해.
• 광자가 검출 결과에 기여하지 않았음에도 불구하고 내부 간섭계에 '있었다'는 해석에 도전하기 위해.

제안 방법

• 내부 맥스-체너드 간섭계에 광자를 감지하기 위해 코herent 프로브 필드를 가진 제3의 간섭계를 사용하는 QND 측정 기법을 도입한다.
• 내부 간섭계 경로에서 비선형 계수 χ(3)에 비례하는 위상 이동을 유도하기 위해 킬러 매질을 사용하여 파동함수 붕괴 없이 약한 상호작용을 가능하게 한다.
• 전방과 후방 진화 파동함수를 사용하여 시스템을 모델링하며, 후방 진화는 검출기에서 후선별 상태로부터 유도된다.
• 상태 벡터와 소멸/생성 연산자를 사용하여 세 단계(L1, L2, L3)에서 광자 진폭을 추적한다.
• 각 단계에서 최종 상태를 유도하며, 프로브 필드가 내부 간섭계를 통과한 광자가 있을 경우에만 위상 이동을 겪음을 보여준다.
• 프로브 검출기에서 유도된 간섭 무늬를 사용하여 주 간섭 무늬를 교란하지 않고 광자가 내부 간섭계를 통과했는지 여부를 결정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중첩된 맥스-체너드 간섭계에서 주 검출기에서 신호를 일으키는 광자는 실제로 내부 간섭계를 통과하는가?
• RQ2 어두운 포트에서의 간섭 최소화를 교란하지 않고 경로 정보를 추출할 수 있는가?
• RQ3 전방과 후방 진화 상태의 겹침 영역에서 '광자가 있었다'는 TSVF 주장은 타당한가?
• RQ4 내부 간섭계에 광자가 존재하면 주 검출기에서 감지 가능한 신호가 발생하는가?
• RQ5 양자 비파괴 측정을 통해 표준 양자역학과 TSVF 예측 간의 모순을 해결할 수 있는가?

주요 결과

• 주 검출기에서 검출된 광자는 중첩된 맥스-체너드 간섭계의 외부 경로를 통과할 뿐이며, 내부 간섭계에 흔적을 남기지 않는다.
• 광자가 내부 간섭계를 통과할 경우 어두운 포트에서 간섭 최소화로 인해 주 검출기에 도달할 수 없다.
• QND 측정은 약한 측정과 달리 어두운 포트의 간섭 최소화를 유지한다. 약한 측정은 누출과 교란을 유도한다.
• 후방 진화 파동함수는 검출기에서 원천으로 되돌아가는 동안 광자가 내부 간섭계에 흔적을 남길 수 없음을 보여준다.
• 표준 양자역학에서 유도된 결과는 전방과 후방 진화 상태의 겹침 영역에서 광자가 존재했다는 TSVF 주장과 정면으로 배치된다.
• 이 모순은 TSVF의 겹침 주장이 잘못되었음을 시사하며, 이 형식의 재평가가 필요하다.