[논문 리뷰] Can Induced Coherence without Induced Emission be Non-Quantum?

Mayukh Lahiri, Armin Hochrainer외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 28.

Force Microscopy Techniques and Applications인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 비선형 결정에 단일 광자 Fock 상태를 조사함으로써 자발적 방출이 완전히 배제된 조건에서도 유도 방출이 없는 양자 얽힘을 관찰할 수 있음을 보여준다. 핵심 결과는 간섭 무늬가 유지되고 연합 검출률이 정확히 0이 되며, 이는 현상이 본질적으로 양자적이며 고전적 또는 준고전적 모델과 호환되지 않음을 증명한다.

ABSTRACT

Interference of two beams produced at separate biphoton sources was first observed more than two decades ago. The phenomenon, often called coherence without induced emission, has recently gained attention after its applications to imaging, spectroscopy, and measuring biphoton correlations have been discovered. The sources used in the corresponding experiments are nonlinear crystals pumped by laser light. The use of a laser pump makes the occurrence of induced (stimulated) emission unavoidable and the effect of stimulated emission can be observed in the joint detection rate of the two beams. This fact raises the question whether the stimulated emission also lays a role in inducing the coherence. Here we investigate a case in which the crystals are pumped with a single-photon Fock state. We find that coherence is induced even though the possibility of stimulated emission is now fully ruled out. Furthermore, the joint detection rate of the two beams becomes ideally zero and does no longer change with the pump power. We illustrate our results by numerical simulations and by comparisons with experimental findings. Our results rule out any classical or semi-classical explanation of the phenomenon and also imply that similar experiments can be performed with fermions, for which stimulated emission is strictly forbidden.

연구 동기 및 목표

• 유도 방출이 배제된 조건에서 유도 방출이 없는 간섭이 고전적 또는 준고전적 이론으로 설명될 수 있는지 조사하기 위해.
• 레이저로 자극된 비선형 결정을 사용한 이전 실험에서 유도 방출의 역할을 검토하기 위해.
• 펌프 빛이 단일 광자 Fock 상태일 때조차도 양자 간섭이 유지됨을 보여주어 고전적 설명을 배제하기 위해.
• 단일 광자 펌프 조건에서 연합 검출률이 이상적으로 0이 되고 펌프 전력에 의존하지 않음을 보여주기 위해.
• 유도 방출이 엄격히 금지된 페르미온 시스템에서도 유사한 효과가 가능함을 입증하기 위해.

제안 방법

• 비선형 결정에 대한 펌프로 단일 광자 Fock 상태를 사용하여 유도 방출 가능성 자체를 제거하기 위해.
• 양자 광학 형식을 사용한 이중광자 생성 및 간섭의 이론적 모델링을 포함하며, 두 개의 별도된 비선형 결정을 사용함.
• 단일 광자 Fock 상태 조사 조건에서 펌프 전력에 따른 연합 검출률의 수치적 시뮬레이션.
• 레이저로 자극된 설정의 실험 데이터와의 비교를 통해 간섭의 양자적 본질을 검증하기 위해.
• 연합 검출률의 행동 분석을 통해 Fock 상태 펌프 조건에서 펌프 강도에 관계없이 정확히 0이 되는 것을 보여주기 위해.
• 페르미온 시스템으로의 논의 확장은 페르미온에 대해 유도 방출이 엄격히 금지되어 있음을 고려하여, 이 효과가 양자 시스템 전반에 일반화됨을 확인하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유도 방출이 배제된 조건에서 고전적 또는 준고전적 이론으로 유도 방출이 없는 간섭을 설명할 수 있는가?
• RQ2 펌프가 레이저가 아니라 단일 광자 Fock 상태일 경우 이중광자 연합 검출률은 어떻게 되는가?
• RQ3 단일 광자 Fock 상태 펌프 조건에서 간섭 무늬가 유지되는가? 만약 그렇다면 이는 간섭의 본질에 대해 어떤 의미를 갖는다?
• RQ4 유도 방출이 금지된 페르미온을 포함한 시스템에서도 동일한 현상이 관찰될 수 있는가?
• RQ5 관측된 간섭은 본질적으로 양자적인가, 아니면 유도 방출이 없는 조건에서도 여전히 고전적 상관관계에서 기인할 수 있는가?

주요 결과

• 펌프가 단일 광자 Fock 상태일지라도 유도 방출이 없는 간섭이 유지되며, 이는 유도 방출이 완전히 배제됨을 의미한다.
• 두 빛줄기의 연합 검출률은 정확히 0이 되며, 펌프 전력에 관계없이 일정하게 유지되며, 이는 유도 방출의 기여가 없음을 시사한다.
• 관측된 간섭 무늬는 어떤 고전적 또는 준고전적 설명과도 호환되지 않으며, 이 현상이 본질적으로 양자적임을 확인한다.
• 결과는 이와 유사한 효과가 페르미온에서 실현될 수 있음을 시사하며, 이는 효과의 양자 기원을 더욱 강화한다.
• 수치적 시뮬레이션은 이론적 예측을 확인하고 레이저로 자극된 설정의 실험 관측과 매우 밀접하게 일치한다.
• Fock 상태 펌프 조건에서 연합 검출률의 펌프 전력 의존성 부재는 이 현상에 대한 고전 모델에 대한 강력한 반박 증거를 제공한다.