[논문 리뷰] Duality in asymmetric Quantum optical Ramsey interferometers

Jesús Martínez-Linares, Julio Vargas-Medina|ArXiv.org|2003. 08. 30.

Quantum Mechanics and Applications참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 비대칭 양자 광학 라마르 간섭계(QORI)에서 사전 예측 가능성($\mathcal{P}$)과 양자 검출기 품질($\mathcal{Q}$)을 분리하는 체계를 적용한다. 여기서 동일한 제이نز-커밍함 상호작용이 비스듬한 분할기이자 어느 길을 통과했는지를 알려주는 정보를 제공하는 검출기로 작용한다. 이는 $\mathcal{D}$가 $\mathcal{P}$에 의해 포화될 때조차도 $\mathcal{Q}$가 검출기 내에 저장된 양자적 어느 길 정보를 측정함을 보여주며, $\mathcal{Q}$가 고전적 비대칭성과는 독립적으로 검출기의 본질적 성능을 기록한다는 것을 입증한다.

ABSTRACT

A formalism have been recently derived [J. Martinez-Linares and D. Harmin, quantum-ph/0306057] allowing one to separate different sources of which-way information contributing to the total distinguishability D of the ways in a two-way interferometer. Here we apply the formalism to a Quantum Optical Ramsey Interferometer where both sources, the a-priori predictability of the ways P and the quantum "Quality" Q of the which-way detector, stems from the same physical interaction. We show that the formalism is able to separate both sources of which-way information. Moreover, it is shown that Q succeeds in quantifying the amount of quantum which-way information stored in the which-way detector even in cases where D does not.

연구 동기 및 목표

• 비대칭 양자 광학 라마르 간섭계(QORI)에서 다양한 종류의 어느 길 정보(wwi) 상호작용을 분석하기 위해.
• 동일한 물리적 상호작용으로부터 비스듬한 분할기와 어느 길 정보 검출기가 모두 유래할 경우, 사전 예측 가능성($\mathcal{P}$)과 양자 검출기 품질($\mathcal{Q}$)을 분리하는 체계가 여전히 유효한지 테스트하기 위해.
• $\mathcal{D}$가 $\mathcal{P}$에 의해 포화될 경우에도 $\mathcal{Q}$가 저장된 어느 길 정보를 측정할 수 있음을 보여주기 위해.
• 특히 고정밀도 공진자 모드가 비스듬한 분할기이자 어느 길 정보 검출기로 작용하는 QORI의 실제 실험 설정에서 이 체계를 검증하기 위해.

제안 방법

• 이전 연구 [I]에서 제시된 체계를 QORI에 적용하여 총 구분 가능성 $\mathcal{D}$를 사전 예측 가능성($\mathcal{P}$, a-priori predictability)과 양자 검출기 품질($\mathcal{Q}$, quantum detector quality)으로 분해한다.
• 시스템은 두 수준 원자(Quanton)와 양자화된 공진자 모드 사이의 상호작용을 기술하는 제이نز-커밍함 해밀토니언으로 모델링되며, 이 공진자 모드는 비스듬한 분할기이자 어느 길 정보 검출기로 기능한다.
• 밀도 행렬 체계를 통해 시스템의 진화를 분석하고, 검출기 자유도를 적분하여 $\mathcal{D}$, $\mathcal{P}$, $\mathcal{Q}$를 계산한다.
• 간섭 무늬의 밝기 $\mathcal{V}$는 공진자 필드 강도 $\bar{n}_0$와 라비 위상 $\Omega\tau$에 대한 함수로 계산되며, 이는 다이얼로지 관계 $\left(1-\mathcal{P}^2\right)\mathcal{Q}^2 + \mathcal{P}^2 + \mathcal{V}^2 \leq 1$를 통해 $\mathcal{D}$ 및 $\mathcal{Q}$와 연결된다.
• 대칭($\mathcal{P}=0$) 및 비대칭($\mathcal{P}=1$) 경우에 대해 $\mathcal{Q}$, $\mathcal{D}$, $\mathcal{V}^2$의 수치적 플롯을 생성하여 다양한 공진자 필드 강도에서의 행동을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동일한 물리적 상호작용으로부터 비스듬한 분할기와 어느 길 정보 검출기가 모두 유래하는 QORI에 대해 $\mathcal{P}$와 $\mathcal{Q}$를 분리하는 체계를 성공적으로 적용할 수 있는가?
• RQ2 $\mathcal{D}$가 $\mathcal{P}$에 의해 포화될 경우, 특히 극한의 비대칭성($\mathcal{P}=1$)의 극한에서 $\mathcal{Q}$는 어떻게 행동하는가?
• RQ3 $\mathcal{D}$가 실제 저장된 정보의 양을 반영하지 못할 경우에도 $\mathcal{Q}$가 여전히 양자적 어느 길 정보 저장의 유효한 측정치로 남는가?
• RQ4 QORI의 강한 결합 영역에서 $\mathcal{Q}$, $\mathcal{D}$, 간섭 무늬의 밝기 $\mathcal{V}$ 사이의 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 대칭적인 경우($\mathcal{P}=0$)에 $\mathcal{Q}^2 = \mathcal{D}^2$이며, 이는 공진자 필드 강도 $\bar{n}_0$ 증가에 따라 감소한다. 반면 $\mathcal{V}^2$는 증가하여 어느 길 정보로 인한 간섭성의 약화를 보여준다.
• 고강도 근처($\bar{n}_0 \to \infty$)에서 $\mathcal{V}^2 \to 1$이고 $\mathcal{Q} \to 0$가 되며, 이는 완벽한 간섭 무늬와 검출기 내 어느 길 정보 저장이 동시에 성립할 수 없음을 나타낸다.
• 진공 상태($\bar{n}_0 = 0$)에서는 최대 얽힘 상태 $\frac{1}{\sqrt{2}}(|0\rangle_D|a\rangle_Q + i|1\rangle_D|b\rangle_Q)$에 도달하여 $\mathcal{Q} = 1$ 및 $\mathcal{D} = 1$가 되며, 공진자 필드에 전체 어느 길 정보가 저장됨을 의미한다.
• $\mathcal{P} = 1$일 경우 $\mathcal{D} \geq \mathcal{P} = 1$로 구분 가능성은 포화되지만, $\mathcal{Q}$는 여전히 1을 유지한다. 이는 $\mathcal{D}$가 더 이상 정보를 반영하지 못하더라도 $\mathcal{Q}$가 여전히 저장된 어느 길 정보를 측정함을 보여준다.
• 이 체계는 QORI에서 $\mathcal{P}$와 $\mathcal{Q}$를 성공적으로 분리함을 입증하였으며, $\mathcal{Q}$가 고전적 비스듬한 분할기 비대칭성과는 독립적으로 어느 길 정보 검출기의 본질적 양자 성능을 기록한다는 것을 보여준다.
• 결과는 실험적으로 실현 가능하며, Bertet 등 [9]이 이미 $\bar{n}_0$가 0에서 14까지, $\Omega\tau \sim 1$의 강한 결합 영역에서 간섭 무늬 측정을 성공적으로 수행한 바 있다.