[논문 리뷰] Twin Quantum Cheshire Photons

Issam Ibnouhsein, Alexei Grinbaum|arXiv (Cornell University)|2012. 02. 22.

Quantum Mechanics and Applications참고 문헌 1인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 양자 얽힌 광자 쌍을 사용하여 전이 및 후선택을 통해 두 광자의 위치와 편광이 완전히 분리된 일반화된 양자 체셔 고양이 효과를 보여준다. 약한 측정을 동반한 이중 간섭계 구조에서, 광자는 한 길을 통해 이동하는 반면 그들의 편광은 서로 다른 패스에 나타나며, 이는 편광이 한 광자에 속하지 않는 한정된 물리적 객체에 대한 고전적 개념을 도전하는 비고전적인 성질 분포를 보여준다. 특히 음의 약한 값이 존재함으로써, 이전에 보여진 것보다 더 강한 방식으로 성질이 그 실체에서 분리됨을 입증한다.

ABSTRACT

In an experiment with both pre- and post-selection one can find a photon (the cat) in one place and its polarization (the smile) in another. Aharonov et al. asked recently whether more than two degrees of freedom could be separated in the same way. We show that this is possible and that the separation of properties from objects that carry them is in some situations even stronger.

연구 동기 및 목표

• 단일 광자 성질을 초월하여 얽힌 시스템의 다중 자유도에 대해 양자 체셔 고양이 효과를 일반화하는 것.
• 두 얽힌 광자의 위치와 편광이 전이 및 후선택을 통해 완전히 분리될 수 있는지 조사하는 것.
• 특히 다중 자유도가 포함된 경우에 성질의 분리 한계를 탐구하는 것.
• 편광이 특정 광자에 고정되지 않고 여러 경로에 비국소적으로 분포할 수 있음을 보여주어 물리적 객체와 성질 간의 고전적 연관성 개념을 도전하는 것.

제안 방법

• 두 광자 얽힌 상태인 $| ilde{ ho}^{+} angle$ 벨 상태를 두 간섭계와 분광기로 구성된 마흐-젠더 간섭계를 통해 준비한다.
• 상태 $| ilde{ ho} angle = \frac{1}{2}(|13\rangle + |14\rangle + |23\rangle + |24\rangle) \bigotimes |\tilde{ ho}^{+}\rangle$ 를 전선택하고, 경로와 편광의 초위상 혼합 상태를 포함한 특정 얽힌 상태 $|\beta_2\rangle$ 로 후선택한다.
• 약한 상호작용을 통해 경로 및 편광 관측량에 대해 약한 측정을 적용하고, 비고전적 상관관계를 추출하기 위해 약한 값 $ \text{Re}[\text{Tr}(\rho_w \tilde{\rho})] $ 를 사용한다.
• 반파장판(HWPs)과 벨 상태 분석기(BSA)를 사용하여 후선택을 실현하고, 편광 및 경로 자유도를 제어한다.
• 파울리 연산자 $ \tilde{\rho}_{zz}^{ij} $ 와 $ \tilde{\rho}_{zx}^{ij} $ 의 약한 값을 분석하여 편광이 광자의 위치에 비해 어디에 나타나는지 확인한다.
• 경로 및 편광 연산자에 대한 약한 값 표현식을 유도하여, 광자가 존재하지 않는 경로에서 편광이 감지될 수 있음을 보여주며, 이는 음의 약한 값으로 나타나는 비고전적 행동을 의미한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 자유도를 가진 두 얽힌 광자에 대해 양자 체셔 고양이 효과를 일반화할 수 있는가?
• RQ2 두 광자의 위치와 편광을 완전히 분리하여 어느 광자도 자신의 편광을 지닌 채로 존재할 수 있는가?
• RQ3 광자가 특정 경로에 국소화되어 있음에도 불구하고 편광이 다른, 대응하지 않는 경로에 나타날 경우 약한 값은 어떻게 되는가?
• RQ4 약한 값이 물리적 객체에 할당되지 않는, 비틀린 조건조차도 존재하는 비고전적 분포를 드러낼 수 있는가?
• RQ5 전이 및 후선택된 양자 시스템에서 물리적 객체와 성질 간의 대응 관계는 어느 정도 깨질 수 있는가?

주요 결과

• 광자는 확실히 (1,3) 경로를 통해 이동함을 확인할 수 있으며, 이는 $ \text{Re}[\tilde{\rho}_{13}]_w = 1 $ 으로 나타난다. 반면 그들의 편광은 이 경로에서 존재하지 않는다.
• 편광 쌍은 (2,3) 및 (2,4) 경로에 확실히 감지되며, $ \text{Re}[\tilde{\rho}_{zx}^{24}]_w = 1 $ 과 $ \text{Re}[\tilde{\rho}_{zx}^{14}]_w = -1 $ 으로 나타나 비고전적 분포임을 보여준다.
• 경로 2와의 약한 상호작용을 통해 두 개의 편광 단위($ \text{Re}[\tilde{\rho}_{zx}^{2\bullet}]_w = 2 $) 가 감지되며, 이는 오직 한 개의 광자만 존재하는 데도 비국소적인 편광 분포를 의미한다.
• 편광 약한 값 $ \text{Re}[\tilde{\rho}_{zx}^{14}]_w = -1 $ 은 광자가 존재하지 않는 경로에서 음의 편광 신호가 감지됨을 의미하며, 이는 이전보다 더 강한 형태의 분리 상태임을 보여준다.
• 각 간섭계 내에서의 총 편광은 일관되며, $ \text{Re}[\tilde{\rho}_{zx}^{\bullet 3}]_w + \text{Re}[\tilde{\rho}_{zx}^{\bullet 4}]_w = 1 $ 이다. 이는 각 간섭계에 대해 총 편광이 한 단위로 유지됨을 의미한다.
• 시스템은 물리적 객체와 성질 간의 상관관계가 완전히 붕괴된 상태를 보이며, 어느 광자도 자신의 편광을 지니지 않으며, 편광은 특정 광자에 할당되지 않은 채 경로에 비국소적으로 분포되어 있다.