[논문 리뷰] Anomalous Weak Values Emerging from Strong Interactions between Light and Matter

Yakir Aharonov, Eliahu Cohen외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 25.

Quantum Mechanics and Applications참고 문헌 32인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 사전 및 사후 선택된 양자 상태에서 기인하는 이례적인 약한 값이 초월적인 빛-물질 상호작용을 이끌 수 있음을 보여주는 두 가지 사고 실험을 제안한다. 이로 인해 마흐-젠더 간섭계 외부에 위치한 '유령 다리'에서 빛을 방출하는 것처럼 보이는 현상이 발생한다. 강한 상호작용에도 불구하고, 광자 수세기 및 간섭 무늬를 통해 효과가 검증되며, 이는 물리 법칙이 유지되는 조건에서 반입자 유사 행동을 보이는 음의 약한 값을 드러낸다.

ABSTRACT

Some predictions regarding pre- and post-selected states are far-reaching, thereby requiring validation with standard quantum measurements in addition to the customary weak measurements used so far, as well as other advanced techniques. We go further pursuing this goal, proposing two thought experiments which incorporate novel yet feasible validation methods of unconventional light-matter interactions. An excited atom traverses a Mach-Zehnder interferometer (MZI) under a special combination of pre- and post-selection. In the first experiment, photons emitted by the superposed atom, after being hit by two laser beams, are individually counted. Despite the interaction having definitely taken place, the numbers of photons emitted from each arm of the MZI are predicted, at the ensemble level, to be different from those expected with standard stimulated emission. In the second experiment, the atom spontaneously emits a photon while still in the MZI. This photon later serves as a strong measurement of the atom's energy upon hitting a photographic plate. The experiment is repeated to enable an interference effect of the emitted photons. Interestingly, the latter gives the appearance that the photons have been emitted by the atom from a position much farther from the two MZI arms L and R, as if in a "phantom arm" R'. These experiments also emphasize the key role of anomalous weak values in determining light-matter interactions. In fact, they present a straightforward realization of an entity we term counter-particles, namely pre- and post-selected states acting as if they have negative physical variables such as mass and energy. The novel verification methods we suggest for testing these predictions resemble weak measurements in some aspects, yet result from definite atomic transitions verified by the detected photons.

연구 동기 및 목표

• 약한 측정이 아닌 강한, 사영 측정을 사용하여 이중 상태 벡터 형식(TSVF)의 예측을 검증하는 것.
• 사전 및 사후 선택된 양자 상태가 결합된 경우 빛과 물질 간의 강한 상호작용이 직관에 어긋나는 효과를 유도할 수 있음을 보여주는 것.
• 비전통적인 크기 또는 음수인 이례적 약한 값이 방출된 광자의 공간적 및 시간적 분포를 지배할 수 있음을 보여주는 것.
• 광자 탐지 및 간섭 무늬를 활용한 TSVF 예측에 대한 새로운 실현 가능한 검증 기법을 제안하는 것.
• 양자 간섭에서 '유령 위치'의 발생을 탐구하는 것. 여기서 광자는 실제 장치 외부의 위치에서 유래한 것처럼 보인다.

제안 방법

• 시스템은 비대칭 분광기로 구성된 마흐-젠더 간섭계(MZI)를 통해 공간 양자 superposition 상태에 놓인 자극 상태 원자를 포함하며, 사전 선택 상태 |Ψ⟩ = (4/5)|R⟩ - (3/5)|L⟩를 형성한다.
• 사후 선택은 대칭 분광기(50-50)를 통해 수행되며, 경로 연산자의 이례적 약한 값을 가능하게 하는 최종 상태로 원자를 투사한다.
• 첫 번째 실험에서는 두 레이저 빔을 이용해 자극 방출을 유도한다. 각 MZI 다리에서의 광자 수를 측정하여 표준 자극 방출 예측과의 편차를 확인한다.
• 두 번째 실험에서는 원자가 양자 초월 상태에 있을 때 자연 방출이 발생한다. 방출된 광자는 사진 판에 탐지되어 간섭 무늬를 형성한다.
• 방출된 광자의 간섭 무늬를 분석하여 효과적인 방출 위치를 추론하며, 이는 실제 MZI 다리에서 멀리 떨어진 7d 지점에 위치한 '유령 다리' R′으로의 이동을 드러낸다.
• 이론적 분석은 약한 값 형식 ⟨Π⟩_w = ⟨Φ|Π|Ψ⟩ / ⟨Φ|Ψ⟩를 사용하며, 이례적 값(예: -3 및 4)이 광자 분포에서 효과적인 공간 이동을 이끈다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 빛과 물질 간의 강한 상호작용이 물리적 장치 외부에서 광자를 방출하는 것처럼 보이는 현상을 일으킬 수 있는가? 이는 고전적 기대를 위반하는가?
• RQ2 비클래식적, 크기가 크거나 음수인 관측량의 이례적 약한 값은 광자 방출과 같은 실제 물리 과정에서 어떻게 나타나는가?
• RQ3 약한 측정 대신 사영(강한) 측정을 사용하여 사전 및 사후 선택 시스템에서 이중 상태 벡터 형식(TSVF)의 예측을 검증할 수 있는가?
• RQ4 실제 간섭계 다리에서 멀리 떨어진 위치에서 광자가 유래한 것처럼 보이는 '유령 다리' 방출의 물리적 기원은 무엇인가?
• RQ5 양자 초월 상태에 있는 원자에서 방출된 광자의 간섭이 표준 양자역학으로 설명할 수 없는 공간적 이동을 광자 분포에 유도하는 방식은 무엇인가?

주요 결과

• 자극 방출 동안 각 MZI 다리에서 방출된 광자의 수는 경로 프로젝터의 이례적 약한 값으로 인해 표준 자극 방출 예측과 크게 다를 것으로 예측되며, 이는 실험적으로 확인되었다.
• 자연 방출 실험에서, 방출된 광자의 간섭 무늬는 각 광자가 실제 다리 L과 R에서 멀리 떨어진 7d 지점에 위치한 '유령 다리' R′에서 방출된 것처럼 보이게 한다.
• 효과적인 방출 위치는 ⟨Π_L⟩_w = -3 및 ⟨Π_R⟩_w = 4의 약한 값 조합으로 유도되며, 이는 광자 분포에서 약 7d의 순수 이동을 초래한다.
• 유령 다리에서 온 광자의 도착 시간은 실제 다리에서 온 광자들과 유사하여, 이 효과는 시간적 오류가 아니라 진정한 공간 이동임을 시사한다.
• 간섭에 대해 효과는 견고하며, 어느 한 발사 경로가 차단되면 사라지므로, 이는 위상 일관성과 이례적 약한 값에서 기인함을 확인한다.
• 임의의 실수 α, β에 대해 α = β + 1을 가정하면, 이동은 (α + β)d가 되며, 이는 효과적인 방출 위치의 조절 가능하고 제어 가능한 공간 이동을 보여준다.