[논문 리뷰] Anti-Hong-Ou-Mandel interference by coherent perfect absorption of entangled photons

Anton N. Vetlugin, Ruixiang Guo외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 12.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 57인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 손실성 비스플리터에서의 공명 완전 흡수를 이용하여 얽힌 광자 쌍에서 반-홍-오우-만 간섭을 구현함으로써, 일반적인 보스론적 융합을 반전시켜 반-융합으로 이끌어낸다. 실험 결과 대칭(보스론적) 상태는 반-집합을 보이고, 반대칭(페르미온 유사) 상태는 집합을 보이며, 이는 한 개의 광자 플랫폼에서 양자 통계를 제어할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Two-photon interference, known as the Hong-Ou-Mandel effect, has colossal implications for quantum technology. It was observed in 1987 with two photodetectors monitoring outputs of the beamsplitter illuminated by photon pairs: the coincidence rate of the detectors drops to zero when detected photons overlap in time. More broadly, bosons (e.g., photons) coalesce while fermions (e.g., electrons) anti-coalesce when interfering on a lossless beamsplitter. Quantum interference of bosons and fermions can be tested in a single - photonics platform, where bosonic and fermionic states are artificially created as pairs of entangled photons with symmetric and anti-symmetric spatial wavefunctions. We observed that interference on a lossy beamsplitter, or a subwavelength coherent absorber reverses quantum interference in such a way that bosonic states anti-coalesce while fermionic states exhibit coalescent-like behavior. The ability to generate states of light with different statistics and manipulate their interference offers important opportunities for quantum information and metrology.

연구 동기 및 목표

• 표준 홍-오우-만 효과가 붕괴하는 손실성 광학 요소에서의 양자 간섭을 탐구하기 위해.
• 공명 완전 흡수가 얽힌 광자 쌍에서 일반적인 보스론적 간섭 행동을 뒤집을 수 있는지 조사하기 위해.
• 얽힌 광자를 사용하여 보스론적 및 페르미온 유사 양자 통계를 모두 설계하고 관측할 수 있는 플랫폼을 구현하기 위해.
• 손실 환경에서의 양자 간섭을 조작하여 양자 미세측정 및 정보 분야의 새로운 응용을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 실험은 하위파장 공명 흡수체를 사용하여 얽힌 광자 쌍의 공명 완전 흡수를 달성한다.
• 대칭 및 반대칭 공간 웨이브패킷을 갖는 얽힌 광자 쌍을 생성하여 보스론적 및 페르미온 유사 통계를 모방한다.
• 단일 광자 탐지기를 사용하여 흡수체의 출력 포트에서 간섭을 측정하고, 동시도율을 모니터링한다.
• 입사광이 반사 또는 투과 없이 완전히 흡수되는 조건에서 시스템을 설계한다.
• 대칭 상태와 반대칭 상태의 동시도율을 비교하여 양자 간섭을 분석한다.
• 이론적 모델링은 손실성 비스플리터를 통과하는 이광자 상태의 진화를 기술하기 위해 양자광학 형식을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공명 완전 흡수가 얽힌 광자 간섭에서 표준 홍-오우-만 효과를 뒤집을 수 있는가?
• RQ2 손실성 간섭은 얽힌 광자들의 양자 통계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 공학적으로 설계된 얽힘을 통해 한 광자 플랫폼에서 보스론적 및 페르미온 유사 행동을 모두 관측할 수 있는가?
• RQ4 대칭 및 반대칭 웨이브패킷은 공명 흡수 조건에서 간섭 결과를 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 손실 환경에서 보스론의 반-집합을 달성하기 위해 양자 통계를 조작할 수 있는가?

주요 결과

• 공명 완전 흡수 조건에서 대칭(보스론적) 얽힌 상태의 동시도율은 0으로 떨어지며, 이는 반-집합 행동을 나타낸다.
• 반대칭(페르미온 유사) 얽힌 상태는 동시도율이 향상되어 융합 유사 행동을 보인다.
• 설계 파장에서 시스템은 거의 완전한 흡수(100%에 가까움)를 달성하여 공명 완전 흡수를 확인한다.
• 보스론의 반-집합과 페르미온의 집합을 뒤집는 통계의 역전이 실험적으로 관측된다.
• 결과적으로 손실성 광학 요소의 손실 프로파일을 공학적으로 설계함으로써 양자 간섭 통계를 제어할 수 있음을 보여준다.
• 관측된 반-홍-오우-만 간섭은 강건하고 재현 가능하며, 손실 시스템에서의 반전 간섭 이론 예측을 확인한다.