[论文解读] Dual of the generalised quantum Cheshire cat

James Q. Quach|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2017

Quantum Information and Cryptography被引用 1

一句话总结

本文通过解决弱值解释中的模糊性，对量子薛定谔猫（QCC）悖论进行了推广：零弱值可能意味着无偏振或线性偏振。本文引入了广义QCC的对偶形式，其中干涉来源于一个物理路径和一个虚幻路径，由于预选与后选量子态的作用，导致在水平偏振的干涉仪中产生垂直偏振的干涉。

ABSTRACT

The quantum Cheshire cat (QCC) thought experiment proposes that a quantum object's property ( extit{e.g} polarisation, spin, etc.) can be separated from its physical body or extit{disembodied}. This conclusion arose from an argument that interprets a zero weak value (WV) of polarisation as no polarisation. We show that this argument is incomplete in the sense that a zero WV reading could equally be interpreted as linear polarisation. Nevertheless, through a generalisation of the QCC, we complete their argument by excluding the possibility of linear polarisation as a consistent interpretation. We go further, and introduce the dual of the generalised QCC. The dual QCC exhibits an intriguing effect, where a horizontally-polarised interferometer with just one arm, can give rise to interference which is vertically-polarised. The interference appears to arise as the result of the phase difference between the physical arm and a extit{phantom} arm. This peculiar effect arises from the interplay between the pre-selected and post-selected states, which characterises WVs. The QCC has not yet been unambiguously experimentally demonstrated. The QCC dual offers an alternative pathway to experimental realisation.

研究动机与目标

• 为解决量子薛定谔猫思想实验中零弱值解释的模糊性，即零值可能意味着无偏振或线性偏振。
• 通过排除线性偏振作为零弱值一致解释的可能性，完成对量子薛定谔猫理论的论证。
• 提出广义量子薛定谔猫的对偶版本，展现出一种新型量子效应，涉及物理路径与虚幻路径的干涉。
• 探讨预选与后选量子态在产生非经典干涉效应中的作用。
• 为量子薛定谔猫现象的实验实现提供一条新途径。

提出的方法

• 将原始量子薛定谔猫框架推广，以包含双路径干涉仪中偏振的弱值。
• 利用预选与后选量子态分析偏振的弱值，以确定零弱值是否意味着缺失或线性偏振。
• 引入一种对偶构型，即仅有一个物理路径的水平偏振干涉仪可产生垂直偏振的干涉。
• 将干涉建模为物理路径与一个‘虚幻’路径之间的相位差，该路径在经典意义上不存在，但量子力学上仍具贡献。
• 利用弱值与预选及后选态的形式体系，证明观测到的干涉与垂直偏振一致，尽管不存在物理的垂直路径。
• 证明该效应源于系统初始与最终量子态之间的相互作用，从而定义了弱值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在量子薛定谔猫中，偏振的零弱值是否可以一致地解释为线性偏振而非无偏振？
• RQ2 是否可以排除线性偏振作为量子薛定谔猫中零弱值的合理解释？
• RQ3 广义量子薛定谔猫的对偶构型中会涌现出何种新型量子效应？
• RQ4 在仅存在水平偏振物理路径的设置中，如何产生表现为垂直偏振的干涉？
• RQ5 该对偶量子薛定谔猫效应是否可作为原现象实验实现的可行替代方案？

主要发现

• 偏振的零弱值无法唯一解释为无偏振，因为它同样可解释为线性偏振。
• 通过排除线性偏振作为零弱值的一致解释，广义量子薛定谔猫框架得以完整。
• 对偶广义量子薛定谔猫表现出干涉为垂直偏振，尽管干涉仪本身为水平偏振。
• 干涉源于物理路径与非物理‘虚幻’路径之间的相位差，后者由于预选与后选态而具有量子贡献。
• 该效应是预选与后选量子态之间相互作用的直接结果，从而定义了弱值。
• 对偶QCC为实现量子薛定谔猫效应提供了一条新颖且可能实验可实现的新路径。