[논문 리뷰] Different Types of Coherence: Young-type Interference versus Dicke Superradiance

Daniel Bhatti, Manuel Bojer외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 11.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 46인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 양자 광학 분야에서 오랫동안 남아있던 역설을 해결하며, 고전적으로 동기화된 전기 dipole에 의한 Young형 간섭과 양자역학적 Dicke 상태에 의한 Dicke 초광섬을 구분한다. 양자 이질성, 공명도 및 고전적 전기 dipole 모멘트 분석을 통해 저자들은 Dicke 초광섬이 전기 dipole 진동이 아닌 얽힘에 기인한 양자 간섭에 기인함을 보여주며, 이로 인해 유사한 원거리 간섭 무늬를 생성함을 밝힌다.

ABSTRACT

Dicke superradiance, i.e., the enhanced spontaneous emission of coherent radiation, is often attributed to radiation emitted by synchronized dipoles coherently oscillating in phase. At the same time, Dicke derived superradiance assuming atoms in entangled Dicke states which do not display any dipole moment. To shed light on this apparent paradox, we study the intensity distribution arising from two identical two-level atoms prepared either in an entangled Dicke state or in a separable atomic state with non-vanishing dipole moment. We find that the two configurations produce similar far field intensity patterns, however, stemming from fundamentally distinct types of coherence: while in the second case the atoms display coherence among the individual particles leading to Young-type interference as known from classical dipoles, atoms in Dicke states possess collective coherence leading to enhanced spontaneous emission. This demonstrates that the radiation generated by synchronized dipoles and Dicke superradiance are fundamentally distinct phenomena and have to be interpreted in different ways.

연구 동기 및 목표

• Dicke 상태가 전기 dipole 모멘트를 가지지 않음에도 불구하고 Dicke 초광섬이 동기화된 전기 dipole에 기인한 것으로 여겨지는 역설을 해결하기.
• 원자 방출에서 고전적 간섭성(Young형 간섭)과 양자 간섭성(Dicke 초광섬)의 근본적인 차이를 명확히 하기.
• 원거리 간섭 무늬만으로는 고전적 간섭성과 양자 간섭성 메커니즘을 구분할 수 없음을 보여주기.
• 직접 비교를 위한 정량적 비교를 위해 양자 이질성, 공명도 및 고전적 전기 dipole 모멘트를 사용하여 간섭성 유형을 정량화하기.

제안 방법

• 동일한 두 수준의 원자 두 개를 대칭 Dicke 상태, 공명 초위상 상태, Werner 상태의 세 구성으로 분석한다.
• 밀도 행렬 형식을 사용하여 원거리 간섭 무늬 분포를 계산하여 간섭 기여도를 식별한다.
• 얽힌 상태와 분리된 상태에서의 양자 간섭성을 측정하기 위해 양자 이질성과 공명도를 활용한다.
• 전기 dipole 모멘트가 0이 아닌 상태의 고전적 간섭성 측정으로 전역 전기 dipole 모멘트를 사용한다.
• 다양한 구성 간의 가시도 및 간섭 특성을 비교하여 간섭의 물리적 기원을 분리한다.
• 양자 광학 및 양자 정보 이론의 이론적 프레임워크를 적용하여 간섭성 유형을 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Dicke 상태가 전기 dipole 모멘트를 가지지 않음에도 불구하고 Dicke 초광섬이 동기화된 전기 dipole에 의해 발생하는 것처럼 보이는 이유는 무엇인가?
• RQ2 전기 dipole에 의해 구동되는 원자에서의 양자 간섭성과 고전적 간섭성은 무엇으로 다를까?
• RQ3 간섭 가시도만으로는 시스템 내 간섭성의 유형을 판단할 수 있는가?
• RQ4 양자 이질성과 공명도가 Dicke 상태에서 비고전적 상관관계가 존재함을 어떻게 드러내는가?
• RQ5 고전적 전기 dipole 모멘트와 양자 간섭성 측정치가 관측 가능한 간섭 무늬와 얼마나 관련이 있는가?

주요 결과

• Dicke 상태는 전역 전기 dipole 모멘트가 0이므로, Dicke 초광섬이 고전적 전기 dipole 진동에 기인하지 않음을 확인한다.
• Dicke 초광섬의 원거리 간섭 무늬는 고전적 전기 dipole 정렬이 아닌 양자 간섭성(얽힘)에 의해 주도된다.
• 고전적으로 구동된 원자에서의 간섭성은 100% 미만의 가시도를 보이며, Dicke 상태에서는 100%의 가시도를 보인다.
• 양자 이질성과 공명도는 전기 dipole 모멘트가 없음에도 불구하고 Dicke 상태에 비고전적 상관관계가 존재함을 확인한다.
• Werner 상태는 간섭 가시도만으로는 간섭성의 유형을 식별할 수 없음을 보여주며, 이는 가시도를 초월한 간섭성 측정이 필요함을 강조한다.
• 본 연구는 Dicke 초광섬과 고전적 Young형 간섭이 서로 다른 간섭성 메커니즘에 뿌리를 두고 있으며, 근본적으로 다른 현상임을 규명한다.