[论文解读] How to administer an antidote to Schr\"{o}dinger's cat

Juan-Rafael Álvarez, Mark IJspeert+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2021

Quantum Mechanics and Applications被引用 1

一句话总结

本文提出了一种量子反馈协议，可确保光子系统始终通过分束器的指定输出端口出射，从而有效‘拯救’薛定谔的猫。通过利用时间分辨的洪欧曼德尔干涉效应，并在首次光子探测后施加条件相位移，系统可引导第二个光子进入预设输出，确保即使存在量子不确定性，猫也始终被观测为存活状态。

ABSTRACT

In his 1935 Gedankenexperiment, Erwin Schr\"{o}dinger imagined a poisonous substance which has a 50% probability of being released, based on the decay of a radioactive atom. As such, the life of the cat and the state of the poison become entangled, and the fate of the cat is determined upon opening the box. We present an experimental technique that keeps the cat alive on any account. This method relies on the time-resolved Hong-Ou-Mandel effect: two long, identical photons impinging on a beam splitter always bunch in either of the outputs. Interpreting the first photon detection as the state of the poison, the second photon is identified as the state of the cat. Even after the collapse of the first photon's state, we show their fates are intertwined through quantum interference. We demonstrate this by a sudden phase change between the inputs, administered conditionally on the outcome of the first detection, which steers the second photon to a pre-defined output and ensures that the cat is always observed alive.

研究动机与目标

• 开发一种量子反馈协议，以确保无论初始量子随机性如何，都能实现期望的测量结果。
• 证明可通过测量后干预利用量子干涉控制量子测量结果。
• 实现一个光子系统，使第二个光子的路径根据第一个光子的探测结果被引导至预定输出端口。
• 验证基于测量的反馈可克服叠加态中的概率性结果，实现量子控制。

提出的方法

• 实验使用两个长双峰光子，以1 MHz重复频率从原子源依次发射。
• 300 m的光延迟线确保第一个和第二个光子同时到达分束器。
• 利用电光调制器，根据第一个光子的探测结果，条件性地改变第二个光子输入的相对相位。
• 分束器中的量子干涉导致聚束行为，相位移控制着第二个光子是否从预设输出端口出射。
• 系统采用反馈回路，第一个探测结果触发相位调节，以引导第二个光子。
• 该协议依赖于时间分辨的洪欧曼德尔干涉，利用探测时间差τ来映射干涉图案。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以使用基于测量的反馈协议，在固有的量子随机性下，将量子系统引导至期望结果？
• RQ2 量子干涉在多大程度上可用于延迟控制测量后结果？
• RQ3 是否可以通过在首次探测后调节第二个光子的相位，确保其通过分束器的特定路径？
• RQ4 条件相位控制如何影响时间分辨HOM实验中第二个光子的路由？
• RQ5 该协议是否可用于‘拯救’量子系统，避免其发生概率性坍缩，从而确保期望结果（如猫存活）？

主要发现

• 该反馈协议成功将第二个光子引导至预设输出端口，保真度足以确保猫始终被观测为存活。
• 首次光子探测后的条件相位移改变了干涉图案，从而实现了对第二个光子路径的控制。
• 在反馈条件下，符合率降至0.94次/通道，显著低于φ = π时的1.40，表明控制效果显著。
• 背景校正后的符合直方图显示，应用反馈后不希望的结果被明显抑制。
• 基于2 µs时间延迟的归一化因子确认了预期的四通道路径结构，验证了实验模型。
• 信号计数的最大似然估计成功将真实量子关联与背景噪声分离，证实了测量的可靠性。