[논문 리뷰] Teleporting Grin of a Quantum Chesire Cat without cat

Debmalya Das, Arun Kumar Pati|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 11.

Quantum Mechanics and Applications인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 양자 체지어 캣의 원형 편광(grin)을 광자(고양이)가 물리적으로 존재하지 않는 상태에서 전송하는 프로토콜을 제안한다. 간접 측정과 후선택을 이용한 간섭계 구조를 통해, EPR 양자쌍을 통해 편광은 앨리스에서 보브로 전송되며, 이는 편광이 원래 시스템으로부터 독립적으로 존재하고 이동할 수 있음을 보여주며, 양자역학에서 입자로부터 성질이 영구적으로 분리됨을 드러낸다.

ABSTRACT

Quantum Chesire Cat is a counterintuitive phenomenon that provides a new window into the nature of the quantum systems in relation to multiple degrees of freedom associated with a single physical entity. Under suitable pre and postselections, a photon (the cat) can be decoupled from its circular polarization (its grin). In this paper, we explore whether the grin without the cat can be teleported to a distant location. This will be a totally disembodied teleportation protocol. Based on the original Quantum Chesire Cat setup, we design a protocol where the circular polarization is successfully teleported between two spatially separated parties even when the photon is not physically present with them. The process raises questions in our understanding about properties of quantum system. In particular it shows that question like ``whose polarization is it'' can prove to be vacuous in such scenario.

연구 동기 및 목표

• 양자 체지어 캣의 편광(grin)이 광자가 물리적으로 존재하지 않는 상태에서 전송될 수 있는지 조사하기.
• 이러한 이산화된 전송이 양자 성질의 본질과 소유권에 미치는 영향을 탐구하기.
• 전송자가 입력 상태를 알지 못하고 과정을 모른 채 전송이 성공할 수 있음을 보여주기.
• 원래 상태의 '그림'이 전송자의 위치에서 끝나는 직관에 어긋나는 상황을 분석하기.

제안 방법

• 입력 상태의 공간 경로에서 원형 편광을 분리하기 위해 사전 및 사후선택을 적용한 맥주-제이너 간섭계 설정 사용.
• 간섭계의 왼쪽 및 오른쪽 팔에서 약한 측정을 시행하여 약한 값들을 통해 공간적 및 편광적 분리를 확인하기.
• 앨리스와 보브 사이의 공유된 아인슈타인-포돌스키-로젠(EPR) entangled 상태를 활용해 분리된 편광의 전송을 가능하게 하기.
• 앨리스와 보브가 입력 상태를 직접 알지 못한 채 국소적 양자 연산과 고전적 통신(LOCC)을 통해 전송 프로토콜을 완료하기.
• 성공적인 전송를 확인하고, 데이브의 지점에서 약한 측정을 통해 편광이 보브의 위치에 도착했음을 후선택을 통해 검증하기.
• 위치 및 편광 연산자의 약한 값 분석을 통해 공간적 분리를 확인: $(\Pi_L)^w = 1$, $(\Pi_R)^w = 0$, $(\sigma_z^{L})^w = 0$, $(\sigma_z^{R})^w = 1$.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광자가 전송 현장에 물리적으로 존재하지 않을 때 광자의 편광을 전송할 수 있는가?
• RQ2 원래 광자가 공간적으로 분리된 상태에서 수신자가 도착한 편광의 성질은 무엇인가?
• RQ3 후선택을 통해 시스템과 성질이 영구적으로 분리될 경우, 양자 성질의 소유권은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 전송자가 입력 상태를 모른 채로 양자 정보를 얼마나 전송할 수 있는가?
• RQ5 두 개의 양자 체지어 캣의 '그림'을 전송 프로토콜에서 교환할 경우 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• EPR 양자쌍을 통해 광자의 원형 편광이 보브에게 성공적으로 전송되었으며, 광자는 앨리스 또는 보브의 위치에 물리적으로 존재하지 않았다.
• 약한 측정 결과, 광자는 왼쪽 팔에 국한되어 있음($(\Pi_L)^w = 1$)을 확인하였고, 편광은 오른쪽 팔에 존재함($(\sigma_z^{R})^w = 1$)을 확인하여 공간적 분리를 입증하였다.
• 앨리스 또는 보브가 입력 편광 상태를 알지 못한 채 전송이 성공하였으며, 측정 붕괴를 방지하면서 프로토콜의 무결성이 유지되었다.
• 보브에게 도착한 편광은 원래 입력 상태의 것이지만, 그 여정은 앨리스의 포트에서 끝나, '그림'이 수신자에게 속하지 않음을 시사한다.
• 전송 후, 앨리스는 광자가 없는 원래의 편광을 소유하게 되었고, 보브는 편광이 없는 광자를 소유하게 되어, 시스템과 성질이 영구적으로 분리됨을 보여주었다.
• 이 과정은 후선택된 상황에서 '누가 편광을 소유하는가'라는 개념이 의미를 잃게 되며, 양자역학에서 성질 소유에 대한 고전적 직관을 도전한다.