[논문 리뷰] Is a Single Photon Always Circularly Polarized? A Proposed Experiment using a Superconducting Microcalorimeter Photon Detector

Alan M. Kadin, Steven B. Kaplan|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 09.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 17인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 초전도성 마이크로칼로리미터를 사용하여 에너지 해상도가 1 eV 미만인 실험을 제안하여 단일 광자는 본질적으로 원형 편광되어 있는지, 아니면 선형 편광 상태로 존재할 수 있는지를 테스트한다. 이 방법은 높은 정밀도로 에너지 손실을 측정하여 단일 광자와 광자 쌍을 구별하며, 광자의 스핀과 편광에 관한 기초 양자역학적 논쟁을 해결하고자 한다. 만약 선형 편광 광자가 원형 편광 상태의 중첩으로 존재할 경우, 양자 얽힘과 비국소성과 같은 核심 개념들이 도전받을 수 있다.

ABSTRACT

A single photon is well known to have spin S = hbar, which would correspond to circular polarization, and all quantum transitions with photon absorption or emission correspond to DeltaS = +/-hbar. However, it is also widely believed that a single photon may be linearly polarized, which would correspond to a state with S = 0. Indeed, linearly polarized single photons are central to most quantum entanglement experiments. On the contrary, it has recently been suggested (based on a realistic spin-quantized wave picture of quantum states) that a linearly polarized photon state must be a superposition of a pair of circularly polarized photons, each with S = +/-hbar. This question cannot be resolved using a conventional photon detector, which generally cannot distinguish one photon from two simultaneous photons. However, it can be addressed using a superconducting microcalorimeter detector with sub-eV energy resolution and high quantum efficiency (QE). A careful experiment demonstrating this photon pairing could place in question some of the paradoxical central foundations of modern quantum theory, including quantum entanglement and nonlocality.

연구 동기 및 목표

• 단일 광자의 편광 본질을 테스트하는 것, 특히 단일 광자가 항상 원형 편광되어 있는지 아니면 선형 편광 상태로 존재할 수 있는지를 확인하는 것.
• 선형 편광 광자가 스핀 S = ±ħ를 가진 원형 편광 상태의 중첩인지 여부에 관한 오랫동안 지속된 양자역학적 논쟁을 해결하는 것.
• 기존의 광자 검출기가 단일 광자와 광자 쌍을 구별할 수 없기 때문에, 양자 얽힘과 비국소성의 해석에 대한 가정이 무효화되는지 조사하는 것.
• 고해상도 초전도성 마이크로칼로리미터를 사용하여 단일 광자 에너지 측정으로 기초 양자 이론을 탐구할 수 있는 가능성을 입증하는 것.
• 선형 편광 단일 광자가 기본 상태라고 가정하는 것에 도전하며, 대신 원형 편광 광자들의 양자 중첩임을 제안하는 것.

제안 방법

• 에너지 해상도가 1 eV 미만인 초전도성 마이크로칼로리미터를 사용하여 고양성 효율로 단일 광자를 감지하는 것.
• 도래하는 광자의 에너지 손실을 측정하여 단일 광자와 동시에 도래하는 두 광자(에너지가 두 배)를 구별하는 것.
• 파라메트릭 다운컨버전 또는 유사한 방법을 통해 제어 가능한 선형 편광 단일 광자를 방사하여 검출기의 조사하는 것.
• 에너지 스펙트럼을 분석하여 관측된 신호가 한 광자(E 에너지)인지 두 광자(2E 에너지)인지 확인하여, 선형 편광 상태가 두 개의 원형 편광 광자 중첩임을 나타내는지 확인하는 것.
• 광자의 스핀과 편광을 해석하기 위해 실질적인 스핀-정량화된 파동 모델을 적용하는 것.
• 검출기의 높은 시간 및 에너지 해상도를 활용하여 단일 광자 사건의 양자적 성격을 최소한의 애매함 없이 해명하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 광자는 본질적으로 원형 편광되어 있으며 스핀 S = ħ인지, 아니면 선형 편광 상태로 존재할 수 있는가(S = 0)?
• RQ2 선형 편광 단일 광자 상태가 실험적으로 두 개의 원형 편광 광자(각각 S = ±ħ)의 중첩임을 입증할 수 있는가?
• RQ3 기존 검출기가 단일 광자 사건과 광자 쌍을 구별할 수 없는 것이 양자 얽힘과 비국소성의 핵심 가정을 무효화하는가?
• RQ4 에너지 해상도가 1 eV 미만인 초전도성 마이크로칼로리미터가 단일 검출 사건에서 한 광자와 두 광자를 명확히 구별할 수 있는가?
• RQ5 만약 선형 편광 광자가 원형 편광 상태의 중첩임이 입증된다면, 양자 기초 이론에 어떤 영향을 미칠 것인가?

주요 결과

• 제안된 실험은 1 eV 이하의 에너지 해상도로 단일 광자와 광자 쌍을 구별할 수 있으며, 광자의 편광 본질을 직접 테스트할 수 있다.
• 만약 검출기가 선형 편광 상태에서 에너지 E를 등록한다면, 이는 해당 상태가 스핀 S = ±ħ를 가진 두 개의 원형 편광 광자의 중첩임을 지지하는 것이다.
• 에너지 2E의 검출은 동시에 두 광자가 도착했음을 나타내며, 선형 편광 상태가 단일 양자 상태라는 가정에 반한다.
• 만약 선형 편광 광자가 두 개의 원형 편광 광자로 구성되어 있음이 입증된다면, 이 실험은 양자 얽힘과 비국소성의 기초적 역할을 도전할 수 있다.
• 결과는 에너지 손실 패atters가 한 광자인지 두 광자인지에 따라 달라지며, 스핀-정량화된 파동 모델의 검증을 위한 결정적인 테스트가 될 것이다.
• 결과는 선형 편광 단일 광자를 기본 상태로 가정하는 양자 이론 해석에 재평가가 필요할 수 있음을 시사할 수 있다.