[논문 리뷰] Conditionally generating a mesoscopic superposition of N00N states

Falk Töppel, Maria V. Chekhova외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 05.

Quantum Information and Cryptography인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 현재 광학 기술로 구현 가능한 조건부 방법을 제안하여, 50/50 분광기에서 광자 제거된 압축된 진공 상태와 코herent 상태를 간섭시킴으로써 N00N 상태의 중간 척도 초위상 상태를 생성한다. 이는 평균 광자 수가 수십 수준에 이르는 상태를 얻는 데 성공한다. 생성된 상태는 강한 양자 상관관계를 보이며, 심각한 손실 조건에서도 국소 실재론을 위반하여, 옵티오메카닉스 및 양자 메모리 결합과 같은 거시적 양자 응용 분야에서 유망하다.

ABSTRACT

We study the generation of superpositions of N00N states by overlapping few-photon-subtracted squeezed vacuum states and coherent states on a 50/50 beam splitter. Assuming parameters that are feasible with current technology results in output states with mean photon numbers of several tens. We show that the generated quantum states violate local realism even in the presence of considerable loss. The occurrence of strong quantum correlations for mesoscopic quantum states of light is particularly beneficial for coupling light and matter quantum systems.

연구 동기 및 목표

• 현재 광학 기술로 구현 가능한, 조건부 방법을 통해 N00N 상태의 중간 척도 초위상 상태를 생성하는 데 목적이 있다.
• 실제 실험적 결함이 존재하는 상황에서도 이러한 생성된 상태가 강한 양자 상관관계를 보이며 국소 실재론을 위반함을 입증하는 데 목적이 있다.
• 높은 광자 수를 지닌 거시적 양자 얽힌 광학 상태를 생성함으로써, 양자 기술에서 효율적인 빛-물질 상호작용을 가능하게 하는 데 목적이 있다.
• 검출 비효율성, 위상 오차, 전송 손실 조건 하에서 생성된 상태의 강건성을 조사하는 데 목적이 있다.

제안 방법

• 이 방법은 광자 제거된 압축된 진공 상태와 코herent 상태를 50/50 분광기에서 간섭시켜 조건부 출력 상태를 생성한다.
• 광자 제거는 광자 수 해상도가 있는 검출기(PNRD)를 통해 구현되며, m개의 광자를 탐지할 경우 원하는 출력 상태가 화성된다.
• 출력 상태는 N00N 유사 성분들의 초위상 상태로 기술되며, 확률 진폭 분포는 Fock 상태의 중간 척도 초위상 상태에 근접한다.
• 이론적 분석은 손실과 검출 비효율성 조건 하에서 비고전성과 벨 부등식 위반 여부를 평가하기 위해 위그너 함수와 Q-함수를 사용한다.
• 출력 모드의 전송 손실은 허구의 분광기(투과도 τ′)를 통해 모델링되며, 화성 과정에서의 유한한 검출 효율성 η도 고려된다.
• 상태의 비고전성은 다양한 손실 및 위상 조건 하에서 출력 상태의 Q-함수를 사용해 벨 부등식 위반 정도를 계산함으로써 정량화된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 선형 광학과 광자 제거만을 사용하여 중간 척도 N00N 상태의 초위상 상태를 조건부로 생성할 수 있는가?
• RQ2 실제 수준의 손실과 검출 비효율성 조건 하에서 생성된 상태가 국소 실재론을 어느 정도 위반하는가?
• RQ3 코herent 상태 입력의 위상 오차에 대해 상태 생성 과정은 얼마나 민감한가?
• RQ4 출력 모드의 전송 손실 조건 하에서 N00N 유사 광자 수 분포는 얼마나 강건한가?
• RQ5 이 방법을 고평균 광자 수를 지닌 상태를 생성하는 데로 확장할 수 있는가? 이는 거시적 양자 응용에 적합하다.

주요 결과

• 생성된 상태는 평균 광자 수가 수십에 이르는 경우에도 한 모드 또는 다른 모드에서 큰 광자 수에 해당하는 두 개의 두드러진 N00N 유사 '날개'를 가지며, 광자 수 분포를 보인다.
• 30%의 검출 효율성과 10%의 전송 손실 조건 하에서도 상태는 벨 부등식을 위반하여 강한 비고전성을 확인한다.
• 코herent 상태와 압축된 진공 사이의 상대 위상이 π/8에서 π/4 범위 내에서 다양하게 변화하더라도 벨 위반은 넓은 범위에서 유지되어 위상 내성(위상 내성)을 보인다.
• 출력 모드의 전송 손실이 심각할 경우에도, 투과도 τ′가 0.5에 이르는 수준까지 N00N 유사 광자 수 분포의 구조가 유지된다.
• 다중 모드 입력 상태 및 위상 오차 등의 실험적 결함 조건 하에서도 방법은 효과적으로 유지되며, N00N 유사 특성은 중간 정도의 열화만을 보인다.
• 코herent 상태의 위상이 비이상적일 경우에도 상태의 비고전성이 유지되며, 광범위한 위상 창 내에서 벨 위반이 지속된다.