[논문 리뷰] Entanglement Enabled Intensity Interferometry

Jordan Cotler, Frank Wilczek|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 09.

Digital Holography and Microscopy참고 문헌 10인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 얽힘과 검출기의 사영을 활용하여 동일한 입자에 국한되지 않는 한버리 브라운-트위스 강도 간섭측정 기법을 확장한 새로운 양자 측정 기법인 엔트랑글먼트-기반 강도 간섭측정(E2I2)을 소개한다. 이 기법은 서로 다른 성질을 가진 입자—예를 들어 수직 편광을 가진 광자, 다른 파장을 가진 광자, 심지어 광자와 전자 사이의 간섭을 가능하게 하여 편광 상관관계와 양자 얽힘과 같은 새로운 관측 가능성을 제공하며, 국소 초선선택 규칙을 도전한다.

ABSTRACT

Intensity interferometry (Hanbury Brown - Twiss effect) is an interesting and useful concept that is usually presented as a manifestation of the quantum statistics of indistinguishable particles. Here, by exploiting possibilities for project and entanglement, we substantially widen the scope of its central idea, removing the requirement of indistinguishability. We thereby potentially gain access to a host of new observables, including subtle polarization correlations and entanglement itself. Our considerations also shed light on the physical significance of superselection.

연구 동기 및 목표

• 양자 얽힘과 검출기 사영을 활용하여, 동일한 입자에 대한 요구 조건을 초월해 강도 간섭측정을 확장하는 것.
• 수직 편광을 가진 광자, 다른 파장을 가진 광자, 심지어 광자와 전자 사이에서도 간섭 효과를 관측할 수 있음을 보여주는 것.
• 수정된 검출 기반으로 미세한 편광 상관관계와 얽힘과 같은 새로운 양자 관측 가능성을 드러내는 것.
• 검출기 상태를 혼합 기저에서 측정함으로써 서로 다른 양자 진폭 간의 간섭이 발생할 수 있음을 보여주어 국소 초선선택 규칙의 타당성을 도전하는 것.

제안 방법

• 최종 상태가 얽힌 검출기 상태를 포함하는 다중 경로를 통해 접근되는 일반화된 간섭측정 프레임워크를 사용하여, 일반적으로 구별 가능한 과정 간의 간섭을 가능하게 한다.
• 검출기에서 사영 연산자를 사용하여 검출기 파동함수의 구성 요소를 선택적으로 측정함으로써, 입자가 서로 구별되더라도 간섭을 가능하게 한다.
• 핵심 메커니즘은 각 발사체의 진폭과 그 켤레가 간섭항에 함께 나타나도록 하여 독립적인 위상 노이즈가 상쇄되도록 보장함으로써 상대 위상 정보를 유지하는 데 있다.
• 다른 원천이나 붕괴 채널에서 온 진폭 간의 간섭을 가능하게 하기 위해 검출기 또는 원자 상태의 얽힌 상태를 사용한다.
• 혼합 기저 측정 전략을 적용하여, $\frac{1}{\sqrt{2}}(|\text{DD}\rangle|\text{EE}\rangle + |\text{DD}\rangle|\text{EE}\rangle)$ 와 같은 얽힌 검출기 상태로 사영함으로써 상대 위상 정보를 추출한다.
• 원자 큐비트를 위상 민감한 검출기로 사용하여, 경로 재결합이 없는 단일 원천 붕괴나 마흐-제이너드 유사 간섭계와 같은 다양한 설정에 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수직 편광을 가진 광자 또는 다른 파장을 가진 광자와 같은 구별 가능한 입자에 대해 강도 간섭측정을 확장할 수 있는가?
• RQ2 검출기에서의 얽힘과 사영은 강도 간섭측정에서 비동일한 입자 간의 간섭을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ3 검출기 상태의 중첩은 서로 다른 양자 진폭 간의 상대 위상 정보를 어떻게 접근하는가?
• RQ4 두 개의 서로 다른 붕괴 채널이 기여하는 단일 원천 붕괴 과정에서도 간섭 효과를 관측할 수 있는가?
• RQ5 이 프레임워크는 양자역학에서 국소 초선선택 규칙의 타당성을 어느 정도 도전하는가?

주요 결과

• E2I2는 기존 한버리 브라운-트위스 간섭측정에서 구별성으로 인해 간섭이 일어나지 않는 수직 편광을 가진 광자 간의 간섭을 가능하게 한다.
• 얽힌 검출기 상태로 사영함으로써 붕괴 과정인 $C \to DD$ 와 $C \to EE$ 간의 상대 위상 정보를 측정할 수 있다.
• 경로 재결합이 없는 마흐-제이너드 유사 설정에서 얽힌 원자 상태를 위상 검출기로 사용함으로써 간섭이 관측되며, 이는 국소 측정을 통한 비국소 간섭을 보여준다.
• 지역적 사영을 통해 $|D_{1A} + D_{1B}|^2$ 형태의 간섭항이 나타나며, 이는 빛의 빔을 재결합하지 않더라도 비국소 위상 정보를 추출할 수 있음을 보여준다.
• 이 프레임워크는 국소 초선선택 규칙의 위반을 드러내며, 초선선택 부문으로 간주되는 바람직하지 않은 진폭 간의 간섭이 발생함을 보여준다.
• 이 기법은 강도 기반 검출 기반으로 미세한 양자 상관관계, 즉 얽힘과 편광 얽힘을 측정할 수 있는 길을 제공한다.