[논문 리뷰] Observation of nonlocal quantum interference between the origins of a four-photon state in a silicon chip

Lan‐Tian Feng, Ming Zhang외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 26.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 30인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 실리콘 광학 칩에 통합된 네 개의 스팿럴 웨이브가이드를 사용하여, 네 포톤 상태의 두 개의 서로 다른 공간적 기원에서 발생하는 비국소 양자 간섭을 실험적으로 입증한다. 자발적 네파면 혼합을 통해 포톤 쌍을 생성함으로써, 위상 조절을 통해 네 포톤 상태의 간섭 최소화와 복원을 실현하였으며, 명시적 얽힘 없이도 비국소 효과를 드러내어, 양자 비국소성과 통합 양자 기술의 새로운 플랫폼을 제시한다.

ABSTRACT

Quantum mechanically, multiple particles can jointly be in a coherent superposition of two or more different states at the same time. This property is called quantum entanglement, and gives rise to characteristic nonlocal interference and stays at the heart of quantum information process. Here, rather than interference of different intrinsic properties of particles, we experimentally demonstrated coherent superposition of two different birthplaces of a four-photon state. The quantum state is created in four probabilistic photon-pair sources, two combinations of which can create photon quadruplets. Coherent elimination and revival of distributed 4-photons can be fully controlled by tuning a phase. The stringent coherence requirements are met by using a silicon-based integrated photonic chip that contains four spiral waveguides for producing photon pairs via spontaneous four-wave mixing. The experiment gives rise to peculiar nonlocal phenomena without any obvious involvement of entanglement. Besides several potential applications that exploit the new on-chip technology, it opens up the possibility for fundamental studies on nonlocality with spatially separated locations.

연구 동기 및 목표

• 네 포톤 상태의 공간적으로 분리된 기원에서 기인하는 비국소 양자 현상이 초래되는 양자 초위상의 공액 초위상에 대해 탐구한다.
• 작고 통합된 광학 플랫폼에서 위상 조절을 통해 네 포톤 상태 생성을 제어하는 것을 입증한다.
• 기존의 얽힘 기반 메커니즘에 의존하지 않고 비국소 간섭 효과를 조사한다.
• 고해상도 간섭성과 높은 일관성을 유지하는 다중 포톤 양자 상태를 생성하고 조작할 수 있는 확장 가능한 칩 기반 솔루션을 개발한다.

제안 방법

• 자발적 네파면 혼합을 통해 확률적 포톤 쌍 생성을 가능하게 하는 실리콘 기반 통합 광학 칩과 네 개의 스팿럴 웨이브가이드를 사용하였다.
• 네 포톤 상태를 생성하기 위해 두 개의 독립된 포톤 쌍 소스 조합을 설계하여 두 가지 다른 기원 조합을 구현하였다.
• 두 소스 경로 간의 간섭을 공명적으로 조작하기 위해 칩 전반에 걸쳐 정밀한 위상 제어를 시행하였다.
• 위상 조절에 따른 출력 상태의 인구 수를 측정하여, 네 포톤 상태의 간섭 최소화와 복원 현상을 관측하였다.
• 고안정성과 저손실의 통합 웨이브가이드 구조를 통해 엄격한 간섭성 요구 조건을 확보하였다.
• 간섭 무늬를 통해 동일한 양자 상태의 공간적으로 분리된 기원에서 기인하는 비국소 양자 행동을 탐구하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 명시적 얽힘 없이도 네 포톤 상태의 두 개의 서로 다른 공간적 기원 간에 비국소 양자 간섭을 관측할 수 있는가?
• RQ2 통합 광학 플랫폼에서 위상 조절을 통해 네 포톤 상태의 생성을 어느 정도 공명적으로 제어할 수 있는가?
• RQ3 다중 포톤 양자 상태에서 소스 위치의 공액 초위상의 관측 가능한 서명은 무엇인가?
• RQ4 통합 실리콘 칩 아키텍처는 이러한 비국소 양자 효과를 위한 엄격한 간섭성 요구 조건을 어떻게 지원하는가?

주요 결과

• 두 소스 경로 간의 상대 위상을 조절함으로써 네 포톤 상태의 간섭 최소화와 복원이 실험적으로 관측되었다.
• 간섭 무늬는 명백한 비국소 행동을 보였으며, 결과는 공간적으로 분리된 소스 간의 위상 차이에 의존하였다.
• 간섭 무늬의 고해상도가 확인되어, 서로 다른 탄생지 간의 초위상의 간섭성이 높게 유지됨을 입증하였다.
• 상태 구축 과정에서 명시적 얽힘이 없었기 때문에, 비국소 양자 효과에 대한 새로운 메커니즘이 드러났다.
• 실리콘 광학 칩은 안정적이고 저손실의 작동을 가능하게 하였으며, 이는 효과 관측에 필수적인 정밀한 위상 제어를 제공하였다.
• 결과는 비국소성의 기본 연구 및 통합 양자 정보 처리 분야에 새로운 길을 열었다.