[논문 리뷰] Entanglement and Non-locality in a Micro-Macroscopic system

F. De Martini, Fabio Sciarrino외 1명|ArXiv.org|2008. 04. 02.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 46인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 양자 주입 광학적 비선형 증폭(QI-OPA)을 통해 생성된 약 35,000개의 광자를 포함하는 매크로스코픽 초위상 상태와 한 개의 광자(미세계 시스템) 간의 얽힘을 실험적으로 입증한다. 이 시스템은 벨의 부등식을 위반하여 비국소성을 확인하였으며, 이는 미세-매크로 양자 시스템에서의 양자 비분리성에 직접적인 증거를 제공한다.

ABSTRACT

In recent years two fundamental aspects of quantum mechanics have attracted a great deal of interest, namely the investigation on the irreducible nonlocal properties of Nature implied by quantum entanglement and the physical realization of the 'Schroedinger Cat'. In the present work a macro - state consisting of about 3.5 x 10^4 photons in a quantum superposition and entangled with a far apart single - photon state is generated. Then, the non-separability of the overall micro-macro system is demonstrated and the corresponding Bell's inequalities are found to be violated. Precisely, an entangled photon pair is created by a nonlinear optical process, then one photon of the pair is injected into an optical parametric amplifier operating for any input polarization state, i.e. into a phase-covariant cloning machine. Such transformation establishes a connection between the single photon and the multi particle fields. We then demonstrate the non-separability of the bipartite system by adopting a local filtering technique within a positive operator valued measurement.

연구 동기 및 목표

• 단일 광자(미세 세계)와 약 3.5×10⁴개의 광자를 포함하는 매크로스코픽 초위상 상태를 실험적으로 얽히게 하는 것.
• 한 당사자가 매크로스코픽인 시스템에서 양자역학이 예측하는 비국소 상관관계를 테스트하여 고전적 직관이 양자-고전 경계에 대해 갖는 오해를 도전하는 것.
• 미세-매크로 얽힌 시스템에서 벨의 부등식 위반을 검증함으로써, 이러한 대규모 양자 상태에 대해 국소 숨겨진 변수 이론을 배제하는 것.
• 증폭과 측정 과정에서 양자 특성이 매크로스코픽 시스템으로 어떻게 유지되는지 관찰함으로써, 양자-고전 전이 과정을 탐색하는 것.
• QI-OPA를 통해 생성된 매크로스코픽 양자 상태를 활용한 양자 정보 처리를 위한 확장 가능한 플랫폼을 구현하는 것.

제안 방법

• 비선형 결정에서 자발적 비선형 다운컨버전스(SPDC)를 통해 광자 쌍을 생성하여 스핀 상태 |Ψ⁻⟩를 생성한다.
• 이 쌍 중 한 광자를 고이득 광학적 비선형 증폭기(OPA)에 투입하여 단일 광자 상태를 위상-보존 클로닝 장치로 변환함으로써 매크로스코픽 초위상 상태의 포크 상태(superposition of Fock states)로 변환한다.
• 이 증폭 과정은 양자 주입 광학적 비선형 증폭(QI-OPA)이라 불리며, N ≈ 3.5×10⁴개의 광자가 초위상 상태로 포함된 매크로스코픽 양자 상태를 생성한다.
• 지역 필터링 기법을 양성 연산자값 측정(POVM) 프레임워크 내에서 적용하여 최종적으로 유도된 미세-매크로 얽힌 상태의 비분리성(Non-separability)을 확인한다.
• 상태의 비국소성 검증을 위해 네 가지 측정 기준 {π₊, π₋} 및 {πᴿ, πᴸ}을 사용하였으며, 위상 이동은 Soleil-Babinet 보정기로 제어하였다.
• 5시간 동안의 공진율 및 시각화도 측정를 수행하였으며, 각 데이터 포인트 평균 4000건의 사건을 확보하였고, 입력 위상과 무관하게 전자 필터링을 통해 위상 보존성을 확보하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 광자 양자 상태는 약 3.5×10⁴개의 광자를 포함하는 매크로스코픽 초위상 상태와 얽힐 수 있으며, 이 과정에서 비국소 상관관계가 유지될 수 있는가?
• RQ2 유도된 미세-매크로 얽힌 상태는 벨의 부등식을 위반하는가? 이는 국소 숨겨진 변수 모델을 배제하는 데 기여하는가?
• RQ3 양자 주입 광학적 비선형 증폭기(QI-OPA)는 어떻게 단일 광자 입력으로부터 매크로스코픽 초위상 상태를 생성하는가?
• RQ4 크기가 증가함에 따라 양자 특성, 예를 들어 비국소성이 고전 영역에 접근함에 따라 얼마나 유지되는가?
• RQ5 이 설정을 발전시켜 두 매크로스코픽 초위상 상태 간의 얽힘을 생성함으로써 매크로-매크로 비국소성을 실현할 수 있는가?

주요 결과

• 실험적으로 약 3.5×10⁴개의 광자가 초위상 상태에 포함된 미세-매크로 얽힌 상태를 성공적으로 생성하였다.
• 측정된 공진율 패tern에서 97%의 시각화도를 나타내어 고정밀도의 양자 상태 준비 및 유지가 이루어졌음을 확인하였다.
• 벨의 부등식 위반 값 S = 2.48 ± 0.06를 기록하여 고전적 한계인 2를 초월하였으며, 이는 미세-매크로 시스템에서의 비국소 상관관계를 확인하는 데 기여하였다.
• 전자 필터링 시스템은 위상 보존성을 보였으며, 모든 입력 위상에서 일정한 필터링 확률 P_fil을 유지하여 측정의 공정성을 확보하였다.
• 이론적 광자 수 확률 분포(그림 11)는 매크로스코픽 상태 |Φ⁺,⁻⟩가 대칭적이며, i,j ≈ 0–10 범위에서 주로 (2i+1, 2j+1) 포크 상태로 구성되어 있음을 확인하였다.
• QI-OPA 과정을 통해 단일 광자 입력으로부터 매크로스코픽 양자 상태를 생성하였으며, 양자 위상 일관성을 유지하고 비국소성 검증이 가능하게 하였다.