[논문 리뷰] Witnessing the survival of time-energy entanglement through biological tissue and scattering media

Daniel J. Lum, Michael D. Mazurek외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 25.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 67인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 자발적 파라메트릭 다운컨버전을 통해 생성된 시간-에너지 얽힌 광자를 두꺼운 생체 조직을 통과시키더라도 비국소 양자 상관관계를 유지할 수 있음을 입증한다. 스카우드 밀크(최대 1.556 mm), 2% 밀크(286 μm), 닭가슴살(235 μm)을 통과한 결과 간섭 대비율이 90%를 초과하여, 흐린 산란 매질에서의 얽힘 유지 능력이 뛰어나다는 것을 시사한다. 이는 생물의학 영상 적용 분야에서 중요한 의미를 가진다.

ABSTRACT

We demonstrate the preservation of time-energy entanglement of near-IR photons through thick biological media ($\leq$1.55 mm) and tissue ($\leq$ 235 $\mu$m) at room temperature. Using a Franson-type interferometer, we demonstrate interferometric contrast of over 0.9 in skim milk, 2% milk, and chicken tissue. This work supports the many proposed opportunities for nonclassical light in biological imaging and analyses from sub-shot noise measurements to entanglement-enhanced fluorescence imaging, clearly indicating that the entanglement characteristics of photons can be maintained even after propagation through thick, turbid biological samples.

연구 동기 및 목표

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• 실온에서 두꺼운 산란 생체 조직을 통과할 때 시간-에너지 얽힘이 유지되는지 여부를 조사한다.
• 강한 산란과 흡수에도 시간 및 에너지에서의 비고전적 상관관계가 양자 향상 생물의학 영상에 유용한지 입증한다.
• 활성 위상 안정화 없이도 소형이고 안정적인 프란순 간섭계를 사용하여 복잡한 생체 매질에서 얽힘을 검증할 수 있음을 검증한다.

제안 방법

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• 편광 분광기와 웨이브플레이트를 장착한 수정된 '하그잉' 프란순 간섭계를 사용하여 동시도수에서 비국소 간섭을 측정하였다.
• 광자는 유형-I 자발적 파라메트릭 다운컨버전(SPDC)을 통해 생성되었으며, 공간 모드 불일치를 최소화하기 위해 단일 모드 섬유에 결합되었다.
• 한쪽 패스에서의 광로 길이를 반파장판과 함께 조절하고, 위상 설정에 따라 동시도수를 모니터링함으로써 간섭 대비율을 측정하였다.
• 감지기 이전에 투과판을 사용하여 경로 정보를 지우고, 경로 정보를 알지 못하는 조건에서 양자 간섭을 관찰할 수 있도록 하였다.
• 시스템은 활성 위상 안정화 없이 작동하였으며, 기계적 안정성과 소형 접힌 설계를 통해 간섭을 유지하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 .
• RQ2 시간-에너지 얽힘이 100 μm 이상 두꺼운 생체 조직을 통과해도 유지될 수 있는가?
• RQ3 시간-에너지 얽힘이 유지될 수 있는 생체 조직의 최대 두께는 얼마인가?
• RQ4 생체 매질 내 산란과 흡수가 시간-에너지 얽힌 광자에서의 비국소 간섭의 가시성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 소형이고 안정화되지 않은 프란순 간섭계가 흐린 생체 샘플에서 안정적으로 얽힘을 관측할 수 있는가?

주요 결과

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• 스카우드 밀크에서 두께가 1.556 mm 이하일 경우 간섭 대비율이 90%를 초과하여 시간-에너지 얽힘이 유지됨을 관측하였다.
• 2% 밀크에서는 얽힘이 최대 286 μm까지 유지되었으며, 간섭 대비율이 90%를 초과하였다.
• 닭가슴살 조직에서는 두께가 최대 235 μm까지 시간-에너지 얽힘이 유지되었고, 가시도가 90%를 초과하였다.
• 측정된 간섭 대비율은 CHSH-벨 부등식을 위반하기 위한 70.7% 기준을 크게 초과하여 비고전적 상관관계를 확인하였다.
• 결과는 시간-에너지 얽힘이 생체 매질 내 산란과 흡수에 대해 강건함을 시사하며, 이는 양자 향상 형광 영상 및 센싱 응용에 적합함을 뒷받침한다.