[논문 리뷰] Single-photon entanglement generation by wavefront shaping in a multiple-scattering medium

Hugo Defienne, Marco Barbieri외 5명|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 14.

Random lasers and scattering media참고 문헌 31인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 다중 산산산란 매질 내에서 웨이브프론트 샤피닝을 이용해 공간 모드 간 단일 광자 얽힘을 제어적으로 생성함을 보여준다. 산란 행렬을 완전히 특성화함으로써 저자들은 입사 광자의 웨이브프론트를 조작하여 특정 출력 모드로 간섭적으로 유도하며, 실험적으로 검증된 얽힘의 농도 하한값은 (4.6 ± 1.2) × 10⁻⁵로, 극히 적은 동시 발생 수에도 불구하고 99% 신뢰도로 비영인 얽힘을 확인한다.

ABSTRACT

We demonstrate the control of entanglement of a single photon between several spatial modes propagating through a strongly scattering medium. Measurement of the scattering matrix allows the wavefront of the photon to be shaped to compensate the distortions induced by multiple scattering events. The photon can thus be directed coherently to a single or multi-mode output. Using this approach we show how entanglement across different modes can be manipulated despite the enormous wavefront disturbance caused by the scattering medium.

연구 동기 및 목표

• 다중 산산산란 매질을 양자 정보 처리를 위한 확장 가능하고 고모드 수 플랫폼으로 활용하고자 하는 것.
• 다중 산란으로 인한 웨이브프론트 왜곡 문제를 해결하면서도 단일 광자의 양자 얽힘을 유지하고자 하는 것.
• 산란 행렬의 전반적 지식을 바탕으로 다중 공간 모드 간 단일 광자 상태의 간섭 제어를 수행하고자 하는 것.
• 불순물 매질을 통과한 후 두 개의 출력 모드 간에 얽힘을 생성하고 검증하고자 하는 것.
• 다중 모드 얽힌 상태를 생성하기 위한 간섭계 또는 광학 격자 기반 접근법의 확장 가능한 대안을 마련하고자 하는 것.

제안 방법

• 산란 길이가 1–2 µm인 TiO₂ 나노입자를 포함한 산란 매질을 사용하여 복잡한 다중 산란을 유도한다.
• 클래식한 밝은 광원과 공간 광학 조절 장치(SLM)를 사용하여 매질의 산란 행렬(SM)을 완전히 특성화한다.
• SLM에 산란 행렬에서 유도된 위상 패턴을 프로그래밍하여, 비례 광자의 웨이브프론트를 조절하고 특정 출력 모드로의 타겟팅을 실현한다.
• 출력 모드를 섬유 비프래그먼터에서 합성하여 단일 광자 간섭 무늬를 측정하며, 간섭 무늬의 명암도는 0.78 ± 0.04이다.
• 삼중 동시 발생 검출을 사용하여 양자 상태 단층촬영을 수행하여 출력 상태의 감소 밀도 행렬을 재구성한다.
• 밀도 행렬에서 유도된 농도는 이원자 얽힘의 척도이며, (4.6 ± 1.2) × 10⁻⁵의 하한값을 제공한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 산산산란 매질 내에서 웨이브프론트 샤피닝을 사용해 다중 공간 모드 간 단일 광자 상태를 간섭적으로 제어할 수 있는가?
• RQ2 높은 다중 모드 산란 환경에서 양자 간섭성과 얽힘은 어느 정도 유지될 수 있는가?
• RQ3 반복 피드백 없이도 단일 광자의 두 출력 모드 간에 얽힘을 생성하고 검증할 수 있는가?
• RQ4 산란 매질이 확장 가능한 고차원 모드 변환기로서의 양자 정보 처리에 활용될 수 있는가?
• RQ5 삼중 동시 발생이 한 번 뿐 기록된 경우, 비영인 얽힘 검출의 신뢰 수준은 어느 정도인가?

주요 결과

• 단일 광자 간섭 무늬에서 0.78 ± 0.04의 명암도를 확보하여 광자의 경로에 대한 간섭 제어가 성공적으로 이루어졌음을 확인한다.
• 출력 상태의 감소 밀도 행렬은 대각 성분 P₀₀ = 1 − 8.4 × 10⁻⁵, P₁₁ = 1/(1.1 × 10¹⁰) 및 비대각 성분 |d| = (3.3 ± 0.6) × 10⁻⁵로 재구성되었다.
• 생성된 상태의 농도는 (4.6 ± 1.2) × 10⁻⁵로 계산되었으며, 이는 얽힘에 대한 стрict한 하한값을 제공한다.
• 3시간 동안의 측정 기간 동안 삼중 동시 발생이 한 번만 기록된 상황에서, 양성 농도의 신뢰 수준은 99%로 추정되었으며, 이는 비영인 얽힘을 확인한다.
• 이 시스템은 산란 매질 내에서 산란 행렬의 전반적 지식 기반 웨이브프론트 샤피닝을 통해 단일 광자를 두 개의 공간 모드로 간섭적으로 분포시킬 수 있음을 보여준다.
• 결과는 다중 산산산란 매질이 N모드 얽힌 상태의 확장 가능한 생성에 기여할 수 있으며, 최대 10⁴개의 모드까지 가능성을 지닌다. 이는 복잡한 간섭계 설정의 대안이 될 수 있다.