[논문 리뷰] How to administer an antidote to Schr\"{o}dinger's cat

Juan-Rafael Álvarez, Mark IJspeert외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 17.

Quantum Mechanics and Applications인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 광자 시스템이 항상 비틀림 분할기의 원하는 출력 포트를 통해 나가도록 보장하는 양자 피드백 프로토콜을 제시한다. 이는 슈뢰딩거의 고양이를 효과적으로 '구출'하는 것이다. 시간 해상도가 높은 홍-오우-만드 간섭과 첫 번째 광자 탐지 이후 조건부 위상 이동을 적용하여 두 번째 광자가 사전 정의된 출력으로 유도되게 하여, 양자 불확정성에도 불구하고 고양이가 항상 살아있는 것으로 관측됨을 보장한다.

ABSTRACT

In his 1935 Gedankenexperiment, Erwin Schr\"{o}dinger imagined a poisonous substance which has a 50% probability of being released, based on the decay of a radioactive atom. As such, the life of the cat and the state of the poison become entangled, and the fate of the cat is determined upon opening the box. We present an experimental technique that keeps the cat alive on any account. This method relies on the time-resolved Hong-Ou-Mandel effect: two long, identical photons impinging on a beam splitter always bunch in either of the outputs. Interpreting the first photon detection as the state of the poison, the second photon is identified as the state of the cat. Even after the collapse of the first photon's state, we show their fates are intertwined through quantum interference. We demonstrate this by a sudden phase change between the inputs, administered conditionally on the outcome of the first detection, which steers the second photon to a pre-defined output and ensures that the cat is always observed alive.

연구 동기 및 목표

• 초기 양자 랜덤성에 관계없이 원하는 측정 결과를 보장하는 양자 피드백 프로토콜을 개발하는 것.
• 측정 후 간섭을 이용한 간섭을 통해 양자 측정 결과를 후행 개입을 통해 제어할 수 있음을 보여주는 것.
• 첫 번째 광자의 탐지 결과에 기반하여 두 번째 광자의 경로를 사전에 정의된 출력으로 유도하는 광자 시스템을 실현하는 것.
• 측정 기반 피드백을 통한 양자 제어가 초위상 상태에서의 확률적 결과를 초월할 수 있음을 검증하는 것.

제안 방법

• 실험은 원자 소스에서 1 MHz 반복 주기로 순차적으로 방출되는 두 개의 긴 이중봉 광자를 사용한다.
• 300 m의 광학 지연선을 통해 첫 번째와 두 번째 광자가 비틀림 분할기에서 동시에 도착하도록 한다.
• 전기광학 모듈레이터를 사용하여 첫 번째 광자의 탐지 결과에 따라 두 번째 광자의 입력 위상을 조건부로 변경한다.
• 비틀림 분할기 내의 양자 간섭으로 인해 뭉치는 행동이 발생하고, 위상 이동은 두 번째 광자가 사전 정의된 출력 포트를 통해 나가는지 여부를 제어한다.
• 첫 번째 탐지 결과가 위상 조정을 유도하는 피드백 루프를 사용한다.
• 프로토콜은 시간 해상도가 높은 홍-오우-만드 간섭에 기반하며, 간섭 패턴을 매핑하기 위해 탐지 시간 차이 τ를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 본질적인 양자 랜덤성에도 불구하고 측정 기반 피드백 프로토콜을 사용하여 양자 시스템을 원하는 결과로 유도할 수 있는가?
• RQ2 지연된 방식으로 양자 간섭을 얼마나 효과적으로 사용하여 측정 후 결과를 제어할 수 있는가?
• RQ3 첫 번째 탐지 이후 두 번째 광자의 위상을 조작하여 비틀림 분할기에서 특정 경로를 확보하는 것이 가능한가?
• RQ4 조건부 위상 제어는 시간 해상도가 높은 HOM 실험에서 두 번째 광자의 라우팅에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 이 프로토콜을 사용하여 확률적 붕괴로부터 양자 시스템을 '구출'할 수 있으며, 이를 통해 살아있는 고양이처럼 원하는 결과를 항상 보장할 수 있는가?

주요 결과

• 피드백 프로토콜은 고양이가 항상 살아있는 것으로 관측됨을 보장하는 정밀도로 두 번째 광자를 사전 정의된 출력 포트로 성공적으로 유도한다.
• 첫 번째 광자 탐지 이후 조건부 위상 이동은 간섭 패턴을 변화시켜 두 번째 광자의 경로 제어를 가능하게 한다.
• 피드백 조건 하에서 공진도율은 0.94 공진도 per bin이며, φ = π에서 관측된 1.40보다 현저히 낮아 효과적인 제어를 나타낸다.
• 배경 보정 공진도 히스토그램은 피드백을 적용했을 때 예상치 못한 결과가 명확히 억제됨을 보여준다.
• 2 µs 시간 지연에서 유도된 정규화 인자는 예상되는 4중 경로 구조를 확인하여 실험 모델의 타당성을 검증한다.
• 신호 수의 최대우도 추정은 배경 노이즈에서 진짜 양자 상관관계를 효과적으로 분리하여 측정의 신뢰성을 확인한다.