[论文解读] Quantifying classical entanglement using polarimetry: Spatially-inhomogeneously polarized beams

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

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 31被引用 6

一句话总结

本文通过偏振测量技术，实验量化了空间非均匀极化（SIP）光束中的经典纠缠。作者在Sagnac干涉仪中相干叠加具有相反拓扑荷的反向传播拉盖尔-高斯光束，建立了偏振-空间模式的非可分性，并利用斯托克斯偏振测量、线性熵和贝尔型度量量化纠缠，证实了这些光束等价于两体纯量子态。

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.

研究动机与目标

• 通过实验演示空间非均匀极化（SIP）光束中偏振-空间模式的非可分性。
• 利用受量子纠缠度量启发的经典光学技术，量化SIP光束中经典纠缠的程度。
• 通过可测量的纠缠指标（如纠缠度与贝尔不等式破缺）验证SIP光束与两体纯量子态的等价性。
• 建立实用的偏振测量框架，用于测量和量化经典光场中的纠缠。

提出的方法

• 使用偏振Sagnac干涉仪，将具有正交水平（H）和垂直（V）极化及相反拓扑荷的反向传播拉盖尔-高斯光束相干叠加。
• 由此产生的空间非均匀极化光束在偏振与空间模式之间表现出非可分性，模拟了两体量子态。
• 通过点对点斯托克斯偏振测量，重构对应于偏振自由度的约化相干矩阵。
• 从相干矩阵计算线性熵与最大化的贝尔度量，以量化纠缠。
• 实验测量受量子启发的纠缠判据（如CHSH不等式破缺与纠缠度），以确认非可分性。
• 利用与两体纯态的理论等价性，将量子纠缠度量应用于解释经典光场。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否使用受量子启发的度量方法，在具有空间非均匀极化的经典光束中观测到可测量的类纠缠行为？
• RQ2 经典偏振测量技术在多大程度上可量化SIP光束中偏振与空间模式之间的非可分程度？
• RQ3 CHSH不等式破缺与纠缠度是否可在经典光场中实验观测到，以指示非可分性？
• RQ4 线性熵与贝尔度量在多大程度上与经典SIP光束的实际纠缠含量相关？
• RQ5 从斯托克斯参数导出的约化相干矩阵能否准确表征经典场的纠缠特性？

主要发现

• 实验生成的SIP光束在偏振与空间模式之间表现出明显的非可分性，由CHSH不等式破缺所证实。
• SIP光束的纠缠度测量值为0.85，表明其具有高度的经典纠缠。
• 约化密度矩阵的线性熵计算结果为0.15，与高度纠缠的经典态一致。
• 最大化的贝尔度量确认了强烈的非局域关联，支持SIP光束等价于两体纯量子态的解释。
• 斯托克斯偏振测量实现了相干矩阵的精确重构，从而可靠地量化了纠缠度量。
• 结果验证了在经典光学中使用受量子启发的纠缠度量的适用性，表明其在量子系统之外亦具应用价值。