[논문 리뷰] Verifying entanglement by attempting to undo it with ultra-broadband bi-photons

Yaakov Shaked, Roey Pomerantz외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 09. 19.

Quantum Information and Cryptography인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 초광대역 이광자 상태의 양자 얽힘을 검증하기 위한 고속 방법을 제시한다. 이 방법은 쌍체의 맥스-존더 간섭계를 사용하여 간섭의 강화와 약화를 측정함으로써 양자 상태를 분석한다. 강력한 펌프(10⁷–10⁹)를 활용해 효율적인 업컨버전과 간단한 광검출을 실현함으로써, 기존 방법 대비 측정 시간을 4개 주자 감소시켰으며, 간섭 무늬의 밝기 정도는 이광자의 순도와 양자 성격을 직접적으로 측정하는 지표가 된다.

ABSTRACT

We observe at record-high speed the nonclassical nature of ultra-broadband bi-photons, reducing the measurement time by four orders of magnitude compared to standard techniques of Hong-Ou-Mandel interference or sum-frequency generation. We measure the quantum state of the broadband bi-photons, amplitude and phase, with a pairwise Mach-Zehnder quantum interferometer, where bi-photons that are generated in one nonlinear crystal are enhanced (constructive interference) or diminished (destructive interference) in another crystal, depending on the bi-photon phase. We verify the quantum nature of the interference by observing the dependence of the fringe visibility on internal loss. Since destructive interference is equivalent to an attempt to annihilate in the second crystal (by up-conversion) the bi-photons that were created in the first crystal (by down-conversion), the fringe visibility is a measure for the quantum bi-photon purity of the broadband light. The measurement speed-up is due to the large homodyne-like gain from the strong pump ($\!\sim\!10^{7-9}$) in the up-conversion efficiency of single bi-photons, which enables the use of simple photo-detection of the full, ultra-high photon flux instead of single-photon / coincidence counting.

연구 동기 및 목표

• 홍-오우-만델 간섭이나 합주주파수 생성과 같은 전통적인 엽성 얽힘 검증 기법의 느린 측정 속도를 극복하기 위해.
• 초광대역 이광자 상태의 양자 성격을 신속하고 고정밀도로 검증할 수 있는 방법을 개발하기 위해.
• 두 번째 비선형 결정에서의 간섭 최소화를 통해 이광자 파괴를 시험함으로써 양자 순도를 탐색하기 위해.
• 강력한 펌프를 통한 업컨버전을 활용해 단일 광자 수색을 대체하는 직접 광검출로 전환함으로써 측정 속도를 크게 향상시키기 위해.

제안 방법

• 이광자를 생성하는 한 개의 비선형 결정에서 발생한 이광자가 상대 위상에 따라 두 번째 비선형 결정에서 간섭하는 쌍체 맥스-존더 간섭계를 활용한다.
• 강력한 펌프 필드(10⁷–10⁹)를 사용해 업컨버전 효율을 향상시켜, 고광자 흐름을 일반 광검출 장치로 감지할 수 있도록 한다. 이는 동시성 수색이 아닌 기존 방법을 대체한다.
• 내부 손실에 따른 간섭 무늬의 밝기 정도를 측정하여 간섭의 양자 성격과 이광자의 순도를 평가한다.
• 강력한 펌프의 고조도 유사 증폭 효과를 활용해 신호를 극적으로 증폭시켜 측정 시간을 크게 단축시킨다.
• 간섭계 설정에서 제어된 간섭을 통해 이광자의 진폭과 위상을 측정함으로써 양자 상태를 정량화한다.
• 두 번째 결정에서의 간섭 최소화를 원래의 내림환전 과정을 무효화하려는 시도로 간주하여, 상태의 비클래식 성격을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수정된 간섭계 기반 접근법을 통해 초광대역 이광자의 양자 성격을 기록적인 고속으로 검증할 수 있는가?
• RQ2 내부 손실를 변화시킬 때 간섭 무늬의 밝기 정도가 이광자 상태의 비클래식 성격을 어느 정도 확인해 주는가?
• RQ3 강력한 펌프를 통한 업컨버전이 기존 기법 대비 4개 주자 감소된 측정 시간을 어떻게 실현하는가?
• RQ4 간섭 무늬의 밝기 정도가 광대역 시스템에서 이광자의 순도를 직접 측정하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ5 고광자 흐름을 보이는 이광자 시스템에서 단일 광자 수색을 직접 광검출로 대체하는 것이 양자 정보를 손실 없이 가능할 수 있는가?

주요 결과

• 기존의 홍-오우-만델 간섭이나 합주주파수 생성 기법 대비 측정 시간이 4개 주자 감소되었다.
• 간섭 무늬의 밝기 정도가 내부 손실에 명확한 의존성을 보이며, 간섭의 비클래식 성격과 이광자의 양자 성격을 확인했다.
• 간섭 무늬의 밝기 정도는 초광대역 영역에서 이광자의 순도를 직접적인 정량적 지표로 제공하였다.
• 강력한 펌프(10⁷–10⁹)는 효율적인 업컨버전과 표준 광검출을 통해 고광자 흐름을 감지할 수 있도록 하여 고조도 유사 증폭 효과를 유도하였다.
• 두 번째 결정에서의 간섭 최소화는 이광자를 파괴하려는 시도를 효과적으로 시뮬레이션하였으며, 밝기 정도 반응을 통해 상태의 양자 성격을 검증하였다.
• 복잡한 동시성 수색을 요구하지 않음으로써, 양자 광학 응용 분야에서 실용성을 크게 향상시켰다.