[논문 리뷰] Macroscopic Singlet, Triplet, and Colour-Charged States of Coherent Photons

Shinichi Saito|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 30.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 63인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 표준 광학 부품을 사용하여 레이저에서 유도된 비편광 광자들을 조작하여 매크로스코픽 양자 상태로 전환시킬 수 있음을 보여준다. 이는 편광과 궤도 각운동량의 초위상 조합을 통해 SU(3) 및 SU(4) 표현을 실현한다. 주요 결과는 제어된 위상 및 진폭 조절을 통해 승화 상태, 삼중 상태, 그리고 토폴로지적으로 충전된 상태를 실험적으로 실현한 것으로, 이를 Poincaré 구와 Gell-Mann 초구상에서의 투영 측정을 통해 확인하였다.

ABSTRACT

A ray of photons, emitted from a laser source, is in a coherent state, where macroscopic number of photons are degenerate in the same quantum state. The coherent state has degrees of freedom for spin and orbital angular momentum, which allow an arbitrary superposition state among orthogonal states with varying their amplitudes and phases, described by a representation theory of Lie algebra and Lie group. Here, we experimentally demonstrate that we can construct generators of rotations for the quantum states of coherent photons, simply by combining widely available optical components, such as half- and quarter-wave plates and vortex lenses. We have found that a superposition state between vortexed and no-vortex states is characterised by the motion of the topological charge upon the rotation in the SU(3) states. We also realised singlet and triplet states by combining rays of photons with orthogonal polarisation states and vortexed states. This corresponds to realise an effective SU(4) state and we have confirmed the projection to an SU(2)$ imes$SU(2) state upon passing through a polariser.

연구 동기 및 목표

• 표준 SU(2) 편광 모델을 초월하여 일관된 광자에서 매크로스코픽 양자 간섭을 탐색하기 위해.
• 광자의 양자 기술을 궤도 각운동량을 포함하여 고차원 SU(N) 대칭성으로 확장하기 위해.
• 접근 가능한 광학 부품을 사용하여 실험적으로 SU(3) 및 SU(4) 상태를 실현하고 검증하기 위해.
• 편광 필터를 통해 SU(4) 상태가 SU(2) × SU(2)로 투영될 때 대칭성 붕괴를 모방하는 것을 보여주기 위해.
• 고전적으로 접근 가능한 시스템에서 토폴로지적 및 집합적 양자 상태를 연구할 수 있는 테이블탑 플랫폼을 제공하기 위해.

제안 방법

• 반사판, 반파장판, 비틀림 렌즈와 같은 표준 광학 부품을 사용하여 레이저 빔의 편광 및 궤도 각운동량을 조작하였다.
• 가우시안(비바이러스) 모드와 비틀림 모드 사이의 초위상 상태를 조작하여 SU(3) 상태에서 토폴로지 전하의 연속적 운동을 실현하였다.
• su(3) 리 대칭대수의 생성자 기대값을 사용하여 광자 상태를 SO(8) 내의 Gell-Mann 초구상에 매핑하였다.
• 직교 편광 및 비틀림 상태를 조합하여 SU(4) 상태를 구성하였으며, 투과된 투과판을 통한 투영을 통해 승화 및 삼중 상태를 검증하였다.
• 단일 편광을 선택하여 SU(4) 상태를 SU(2) × SU(2) 상태로 투영함으로써 스핀과 궤도 각운동량 자유도를 독립적으로 제어할 수 있도록 하였다.
• CMOS 영상 장치를 사용하여 예측된 공간 강도 패턴을 관측하고, 이는 이론적 기대와 일치함을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일관된 광자를 사용하여 편광과 궤도 각운동량의 초위상 조합을 통해 매크로스코픽 SU(3) 및 SU(4) 양자 상태를 실현할 수 있는가?
• RQ2 비틀림 모드와 가우시안 모드의 연속적 위상 및 진폭 조절 하에서 토폴로지 전하는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 승화 및 삼중 상태는 편광 투영을 통해 실험적으로 실현되고 구별될 수 있는가?
• RQ4 SU(4) 상태가 투과판을 통해 SU(2) × SU(2)로 투영될 경우 시스템의 거동는 어떠한가?
• RQ5 표준 광학 부품을 통해 매크로스코픽 광자 시스템에서 복잡한 양자 군 표현을 어느 정도 시뮬레이션할 수 있는가?

주요 결과

• 저자들은 비틀림 모드와 비비틀림 모드 간의 초위상 조합의 진폭 및 위상을 조절하여 일관된 광자에서 토폴로지 전하를 연속적으로 제어하는 데 성공하였다.
• 비틀림 모드와 비비틀림 모드 간의 초위상 상태는 회전 시 토폴로지 전하의 연속적 운동을 보였으며, 이는 SU(3) 공간 내에서의 특성화를 확인하였다.
• 직교 편광 및 비틀림 상태를 조합하여 승화 및 삼중 상태를 실험적으로 실현하였으며, 관측된 강도 패턴은 이론적 예측과 일치하였다.
• 투과판을 통과한 후 SU(4) 상태는 SU(2) × SU(2) 상태로 투영되었으며, 스핀과 궤도 각운동량 자유도는 독립적으로 제어 가능하였다.
• 비틀림 상태의 Poincaré 구상에서의 회전 방향은 승화 상태와 삼중 상태에서 서로 반대임을 확인하였으며, 이는 SU(4) 대칭성 행동을 확인하였다.
• 이 시스템은 SU(4)에서 SU(2) × SU(2)로의 투영을 관찰할 수 있는 실용적인 실험 플랫폼이었으며, 간단한 광학 장치를 통해 SU(6)에서 SU(2) × SU(3)로의 투영 가능성도 제기되었다.