[논문 리뷰] The Complete Quantum Cheshire Cat

Yelena Guryanova, Nicolas Brunner외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 03. 19.

Quantum Mechanics and Applications인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 양자 얽힌 사전 및 사후 선택된 양자 상태를 이용해 광자와 그 모든 편광 성분을 완전히 분리시키는 완전한 양자 체셔 고양이를 제안한다. 사전 및 사후 선택 상태의 얽힌 초위상 상태를 설계함으로써 광자의 경로와 편광이 공간적으로 분리되며, 약한 측정을 통해 검증 가능하고 현재의 광학 기술로 실현 가능한, 완전히 이탈한 물리적 성질을 나타낸다.

ABSTRACT

We show that a physical property can be entirely separated from the object it belongs to, hence realizing a complete quantum Cheshire cat. Our setup makes use of a type of quantum state of particular interest, namely an entangled pre- and post-selected state, in which the pre- and post-selections are entangled with each other. Finally we propose a scheme for the experimental implementation of these ideas.

연구 동기 및 목표

• 물리적 성질이 그 실체에서 완전히 분리될 수 있음을 보여주며, 이전 모델에서 관찰된 부분적 분리의 초월.
• 광자가 모든 편광 성분으로부터 공간적으로 분리되는 양자 상태를 구축하여 완전한 체셔 고양이 효과를 달성.
• 현재 기술로 실현 가능한 실험적 광학 장치를 제안하여 완전한 양자 체셔 고양이를 실현하고 검증.
• 양자 얽힌 사전 및 사후 선택에 의존함으로써 효과의 진정한 양자적 본질을 부각시키며, 고전적 유사물과의 차이를 명확히 한다.

제안 방법

• 광자(시스템)와 보조 광자(보조 입자)를 포함한 맥스웰-지너 간섭계를 사용하며, 사전 및 사후 선택 조건이 얽힌 초위상 상태로 준비된다.
• 사전 선택 상태는 시스템 광자가 왼쪽/오른쪽 경로에 있을 때 특정 편광 상태를 가지며, 보조 광자의 편광과 얽힌 초위상 상태로 구성된다.
• 사후 선택은 시스템과 보조 광자를 한 쌍 상태(singlet state)로 투영함으로써 구현되며, 이는 두 개의 서로 다른 사전 및 사후 선택 구성으로 상태를 붕괴시킨다.
• 약한 측정을 통해 각 지점에서 경로와 편광을 측정하며, 상태를 교란하지 않도록 포인터 이동을 CCD 카메라 또는 도착 시간 기법으로 측정한다.
• 약한 값 ⟨A⟩_w = ⟨Φ|A|Ψ⟩ / ⟨Φ|Ψ⟩ 를 사용하여 경로 및 편광 연산자의 약한 값을 계산함으로써 비고전적 상관관계를 탐지한다.
• 실험적 실현은 편광과 경로 자유도를 약하게 횡방향 또는 시간적 빔 프로파일(포인터)에 결합하기 위해 이방성 요소와 빔 분리기들을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 물리적 성질이 실체에서 완전히 분리될 수 있는가? 즉, 성질의 어떤 성분도 실체와 함께 남아 있지 않은가?
• RQ2 어떤 양자 상태 구조가 입자로부터 모든 성질을 완전히 분리시키는 데 가능하게 하는가?
• RQ3 강한 측정의 반작용 없이 약한 측정을 어떻게 사용하여 성질이 실체에서 공간적으로 분리됨을 관측할 수 있는가?
• RQ4 완전한 체셔 고양이 효과는 진정으로 양자적인가, 아니면 고전적으로 시뮬레이션 가능한가?
• RQ5 현재의 광학 기술로 실현하고 검증할 수 있는 실험적 장치는 무엇인가?

주요 결과

• 논문은 두 개의 사전 및 사후 선택 상태의 초위상 상태인 |Φ⟩|Ψ⟩ + |Φ′⟩|Ψ′⟩ 를 구성하였으며, 이 경우 광자는 모든 편광 성분으로부터 공간적으로 분리된다.
• 왼쪽 지점에서 경로 연산자의 약한 값은 1로 확인되었으며, 이는 광자가 왼쪽 지점에 국소화되어 있음을 나타내고, 오른쪽 지점에서 원형 편광 연산자의 약한 값은 1로 확인되어 편광이 오직 오른쪽 지점에 존재함을 보여준다.
• 선형 편광 성분 역시 완전히 이탈되어 있음을 확인: 왼쪽 지점에서 σ_x 와 σ_y 의 약한 값은 0이 되어 광자와 함께 편광 성분이 남아 있지 않음을 확인한다.
• 이 방법은 사전 및 사후 선택이 얽힌 상태에 의존하므로, 효과가 진정으로 양자적이며 고전적 유사물과는 다름을 보장한다.
• 실험적 제안은 시스템-보조 광자 얽힘 구조와 함께 단일 상태로의 공동 사후 선택을 통해 필요한 상태 준비를 가능하게 한다.
• 약한 측정이 빔 분리기와 CCD 감지 또는 도착 시간 기법을 통해 실현 가능함을 보여줌으로써 장치의 실현 가능성이 확인되었다.