[논문 리뷰] Direct measurements of quantum states by exploiting diffused photon state

KyeoReh Lee, YongKeun Park|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 26.

Quantum Information and Cryptography인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 광학 확산체를 사용하여 랜덤하고 산란된 광자 상태를 생성함으로써, 한 번의 측정만으로도 광자의 양자 상태의 밀도 행렬을 직접 복원하는 방법을 제안한다. 산란된 빛의 통계적 성질을 활용함으로써, 약한 측정이나 간섭계 설정을 필요로 하지 않고도 순수 상태와 혼합 상태를 모두 위치-스핀 기저에서 직접 복원할 수 있으며, 이는 양자 토모그래피의 강력하고 일반화 가능한 대안을 제공한다.

ABSTRACT

Measuring the state of a physical system provides a complete understanding of the past, present, and future behavior of the system. Accordingly, techniques for measuring intact physical states are required in all subfields of physics. In quantum systems, however, measuring the exact state of a system is a challenging task due to the complex and uncertain nature of quantum systems. The conventional way of measuring a quantum state is the quantum tomographic approach. However, this is a challenging task because of the extreme vulnerability of the interferometric setup. Recently, direct measurement of a quantum state was realized utilizing the weak measurement. Though this alleviates the difficulty of measuring quantum states, the introduction of a pointer state still limits the generality of the technique. Here, we propose a general but straightforward measurement technique for the quantum state of a photon. At the heart of our idea is an optical diffuser. Based on the random feature of the diffused state, we theoretically show that the density matrix of a photon can be directly reconstructed from a single intensity image after the diffuser. In experimental demonstrations, we successfully measured the density matrices in the position-polarization basis for both pure and mixed states of photons.

연구 동기 및 목표

• 광학 시스템에서 양자 상태를 직접 측정할 수 있는 일반적이고 간단한 기법을 개발하는 것.
• 특히 실험적 복잡성과 민감도에 대한 제약이 있는 양자 토모그래피 및 약한 측정 기법의 한계를 극복하는 것.
• 광학 확산체를 통과한 후의 단일 강도 이미지로부터 밀도 행렬을 직접 복원할 수 있도록 하는 것.
• 이 방법이 순수 상태와 혼합 상태 모두에 대해 위치-스핀 기저에서 적용 가능한지를 실험적으로 입증하는 것.

제안 방법

• 이 방법은 광학 확산체를 사용하여 입력 광자 상태로부터 랜덤하고 공간적으로 비코herent한 상태를 생성한다.
• 산란된 광자 상태는 강도 분포가 원래 밀도 행렬에 대한 정보를 담고 있는 통계적 집합으로 특징지어진다.
• 산란 후 기록된 강도 패턴을 분석하여 통계적 역행렬 기법을 사용해 밀도 행렬을 복원한다.
• 이 접근법은 산란 상태의 통계적 성질이 원래 양자 상태의 모멘트와 직접적으로 관련되어 있다는 사실에 기반한다.
• 약한 측정이나 간섭계 안정화를 요구하지 않기 때문에 실험적 구현이 간소화된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 확산체를 통과한 후의 단일 강도 측정을 이용해 광자 상태의 전체 밀도 행렬을 복원할 수 있는가?
• RQ2 확산체의 사용이 약한 측정이나 간섭계 없이 직접 상태 복원을 가능하게 하는 이유는 무엇인가?
• RQ3 순수 상태와 혼합 상태 모두에 대해 복원된 밀도 행렬의 품질과 정확도는 어떠한가?
• RQ4 이 방법은 광자 이외의 다른 양자 시스템으로 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• 이 방법은 단일 강도 이미지만으로도 순수 상태와 혼합 상태의 광자 상태 밀도 행렬을 성공적으로 복원하였다.
• 복원 정확도는 매우 높았으며, 기대되는 양자 상태 특성과 일치하는 허상도 값이 관찰되었다.
• 간섭계 안정성이나 약한 측정 프로토콜이 필요로 하지 않기 때문에 높은 강인성을 입증하였다.
• 실험적으로 위치-스핀 기저에서 이 방법의 타당성을 확인하였으며, 실제 양자 상태 측정에 적용 가능함을 입증하였다.