[논문 리뷰] Multiphoton non-local quantum interference controlled by an undetected photon

Kaiyi Qian, Kai Wang외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 22.

Quantum Information and Cryptography인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 양자 얽힘을 요구하지 않고, 물리적 기원의 중첩과 광자의 생성에서의 구분 불가능성에 기인한 간섭을 유도하는 네 광자 제품 상태를 사용하여 다광자 비국소 양자 간섭을 구현한다. 핵심 결과는 한 번도 탐지되지 않는 광자가 간섭을 제어할 수 있음을 보여주며, 이는 양자 얽힘보다는 경로의 구분 불가능성에 뿌리를 두고 있는 비국소 양자 효과를 드러낸다.

ABSTRACT

The interference of quanta lies at the heart of quantum physics. The multipartite generalization of single-quanta interference creates entanglement, the coherent superposition of states shared by several quanta. Entanglement allows non-local correlations between many quanta and hence is a key resource for quantum information technology. Entanglement is typically considered to be essential for creating non-local correlations, manifested by multipartite interference. Here, we show that this is not the case and demonstrate multiphoton non-local quantum interference without entanglement of any intrinsic properties of the photons. We harness the superposition of the physical origin of a four-photon product state, which leads to constructive and destructive interference of the photons' mere existence. With the intrinsic indistinguishability in the generation process of photons, we realize four-photon frustrated quantum interference. We furthermore establish non-local control of multipartite quantum interference, in which we tune the phase of one undetected photon and observe the interference of the other three photons. Our work paves the way for fundamental studies of non-locality and potential applications in quantum technologies.

연구 동기 및 목표

• 양자 얽힘은 비국소 양자 간섭을 위해 필수적이라는 기존의 믿음을 도전하기 위해.
• 네 광자 시스템에서 다광자 좌절된 양자 간섭(MFI)을 실험적으로 실현하기 위해.
• 한 번도 탐지되지 않는 광자를 사용하여 비국소 간섭을 제어하는 것을 보여주기 위해.
• 경로의 구분 불가능성과 간섭의 일관성의 기초적 역할을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 스포ontaneous parametric down-conversion (SPDC)을 통해 네 개의 비선형 결정에서 생성된 네 광자 제품 상태를 활용하여 광자의 생성 과정에서 내재된 구분 불가능성을 이용한다.
• 시스템을 설계하여 간섭이 양자 얽힘 상태에서 비롯되지 않고 물리적 기원(경로 모드)의 중첩에서 유래하도록 한다.
• 탐지되지 않는 광자의 위상 조절을 시행하고, 이로 인한 영향이 나머지 세 광자의 간섭 무늬에 미치는 영향을 관측한다.
• 추가적인 결정(V–VIII)을 사용하여 노이즈 제거 기법을 적용하고, 잡음 기여를 억제하며 세 광자 간섭의 명료도를 100%로 향상시킨다.
• 경로 모드와 광자 쌍 소스의 그래프 표현을 사용하여 간섭 과정에서 노이즈 항목을系통적으로 식별하고 제거한다.
• GHZ 상태와 이항 제품 상태의 행동을 비교하여 비국소 간섭에서 경로 정체성과 탐지되지 않은 광자의 위상의 역할을 분리한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자 얽힘 없이도 비국소 양자 간섭이 발생할 수 있는가?
• RQ2 한 번도 탐지되지 않는 광자가 비국소적으로 다른 광자의 간섭 무늬에 영향을 줄 수 있는가?
• RQ3 경로의 구분 불가능성과 물리적 기원의 중첩이 비국소 양자 효과를 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 다광자 시스템에서의 비국소 간섭은 본질적으로 얽힘에 의존하는가, 아니면 생성 과정의 간섭성에 의해 유도될 수 있는가?

주요 결과

• 광자의 내재적 성질에 어떤 종류의 얽힘도 존재하지 않는 네 광자 시스템에서 비국소 양자 간섭이 관측되었다.
• 탐지되지 않는 광자의 위상을 조절함으로써 간섭 무늬가 제어되었으며, 이는 측정 없이도 비국소적 영향을 유도함을 보여주었다.
• 네 개의 추가 결정을 사용하여 노이즈 항목의 간섭을 통해 파라미터를 조절함으로써 세 광자 간섭의 명료도가 100%로 향상되었다.
• 비국소 효과는 양자 얽힘보다는 광자의 생성 과정에서의 물리적 기원의 중첩과 구분 불가능성에 기인한다.
• 비록 이항 제품 상태(|Ψ_product⟩)일지라도 탐지되지 않는 광자의 경로가 구분 불가능할 경우 간섭이 유지되며, 이는 경로 정체성 자체가 비국소 효과를 생성할 수 있음을 보여준다.
• 실험은 비국소 양자 간섭이 양자 얽힘의 필요성을 따르지 않고도 소스 과정의 간섭성에 의해 달성될 수 있음을 확인하였으며, 비국소성에 얽힘의 필수성에 도전한다.