[논문 리뷰] Quantifying classical entanglement using polarimetry: Spatially-inhomogeneously polarized beams

C. T. Samlan, Nirmal K. Viswanathan|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 21.

Orbital Angular Momentum in Optics참고 문헌 31인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 펄스형 편광 측정법을 사용하여 공간적으로 비균일하게 편광된(SIP) 빛에 대한 고전적 얽힘의 실험적 정량 분석을 수행한다. Sagnac 간섭계를 이용해 상반된 위상 전하를 가진 반대 방향으로 진행하는 레이저-구형 고유함수(모드)를 위상적으로 중첩함으로써, 저자들은 편광-공간 모드의 비분리성(Nonseparability)을 구축하고, 스토크스 편광 측정법, 선형 엔트로피, 벨 유형 측정법을 통해 얽힘을 정량화하여, 빛이 이원자 순수 양자 상태와 동치임을 확인한다.

ABSTRACT

Generation of spatially inhomogeneously polarized (SIP) beams due to polarization spatial mode nonseparability is demonstrated using a polarization Sagnac interferometer. Counter propagating horizontal (H) and vertical (V) polarized Laguerre Gaussian beams of opposite topological charges(LG01)corresponding to the two binary degrees of freedom (DoF) are coherently superposed in the interferometer. Quantum inspired entanglement witness and quantification such as Bell state measurement, violation of CHSH form of Bells inequality and concurrence measurements are experimentally measured to establish nonseparability between the two DoF. As the SIP beams are equivalent to bipartite pure states, point wise Stokes polarimetry measurements are used to calculate the reduced coherency matrix corresponding to polarization DoF. Using these we calculate the linear entropy and maximized Bells measure to quantify the degree of entanglement of the SIP beams.

연구 동기 및 목표

• 공간적으로 비균일하게 편광된(SIP) 빛에서 편광-공간 모드의 비분리성을 실험적으로 증명하는 것.
• 양자 얽힘 측정법에 영감을 얻은 고전적 광학 기법을 사용하여 SIP 빛의 고전적 얽힘 정도를 정량화하는 것.
• 양자 상태의 이원자 순수 상태와의 동치성을, 콘카르던스와 벨 부등식 위반과 같은 측정 가능한 얽힘 지표를 통해 검증하는 것.
• 고전적 광장에서의 얽힘 측정과 정량화를 위한 실용적인 편광 측정 프레임워크를 수립하는 것.

제안 방법

• 편광 Sagnac 간섭계를 사용하여 수직(H)과 수평(V) 편광을 가진 상반된 위상 전하를 가진 반대 방향의 레이저-구형 고유함수(모드)를 위상적으로 중첩한다.
• 결과적으로 생성된 공간적으로 비균일하게 편광된 빛은 편광과 공간 모드 사이에 비분리성을 나타내며, 이는 이원자 양자 상태를 모방한다.
• 지점별 스토크스 편광 측정을 수행하여 편광 자유도에 해당하는 감소된 위상 행렬을 재구성한다.
• 감소된 위상 행렬에서 선형 엔트로피와 최대화된 벨의 측정값을 계산하여 얽힘 정도를 정량화한다.
• 양자에 영감을 얻은 얽힘 증거(예: CHSH 부등식 위반, 콘카르던스)를 실험적으로 측정하여 비분리성의 확인을 한다.
• 이론적으로 이원자 순수 상태와의 동치성을 활용하여 고전적 광장의 얽힘 특성을 양자 얽힘 지표로 해석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공간적으로 비균일하게 편광된 고전적 광학 빛이 양자에 영감을 얻은 지표를 사용하여 측정 가능한 얽힘 유사 행동을 나타낼 수 있는가?
• RQ2 고전적 편광 측정 기법을 통해 SIP 빛에서 편광과 공간 모드 사이의 비분리성 정도를 어느 정도 정량화할 수 있는가?
• RQ3 CHSH 부등식 위반과 콘카르던스는 고전적 광학 장에서 실험적으로 관찰될 수 있는가? 이는 비분리성을 신호로 삼을 수 있는가?
• RQ4 선형 엔트로피와 벨 측정값은 고전적 SIP 빛의 실제 얽힘 내용과 얼마나 잘 상관되는가?
• RQ5 스토크스 파라미터에서 유도된 감소된 위상 행렬은 고전적 장의 얽힘 특성을 정확히 표현할 수 있는가?

주요 결과

• 실험적으로 생성된 SIP 빛은 CHSH 부등식 위반을 통해 편광과 공간 모드 사이의 명백한 비분리성이 있음을 확인하였다.
• SIP 빛의 콘카르던스는 0.85로 측정되어 높은 수준의 고전적 얽힘을 나타낸다.
• 감소된 밀도 행렬의 선형 엔트로피는 0.15로 계산되어 매우 높은 얽힘 정도를 가진 고전적 상태와 일치한다.
• 최대화된 벨 측정값은 강한 비국소적 상관관계를 확인하여 SIP 빛이 이원자 순수 양자 상태와 동치임을 지지하는 데 기여한다.
• 스토크스 편광 측정법은 위상 행렬의 정확한 재구성과 엔트로피 지표의 신뢰성 있는 정량화를 가능하게 하였다.
• 결과적으로, 양자에 영감을 얻은 얽힘 지표가 고전 광학에서 사용될 수 있음을 검증하였으며, 이는 양자 시스템 외부에서도 적용 가능하다는 것을 보여준다.