[论文解读] Multiphoton non-local quantum interference controlled by an undetected photon

Kaiyi Qian, Kai Wang+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2021

Quantum Information and Cryptography被引用 9

一句话总结

本文展示了在无需纠缠的情况下实现多光子非局域量子干涉，利用四光子纯态，其干涉源于光子产生过程中物理起源的叠加与不可区分性。关键结果是，即使从未被探测到的光子也能控制干涉，揭示了非局域量子效应源于路径不可区分性，而非纠缠。

ABSTRACT

The interference of quanta lies at the heart of quantum physics. The multipartite generalization of single-quanta interference creates entanglement, the coherent superposition of states shared by several quanta. Entanglement allows non-local correlations between many quanta and hence is a key resource for quantum information technology. Entanglement is typically considered to be essential for creating non-local correlations, manifested by multipartite interference. Here, we show that this is not the case and demonstrate multiphoton non-local quantum interference without entanglement of any intrinsic properties of the photons. We harness the superposition of the physical origin of a four-photon product state, which leads to constructive and destructive interference of the photons' mere existence. With the intrinsic indistinguishability in the generation process of photons, we realize four-photon frustrated quantum interference. We furthermore establish non-local control of multipartite quantum interference, in which we tune the phase of one undetected photon and observe the interference of the other three photons. Our work paves the way for fundamental studies of non-locality and potential applications in quantum technologies.

研究动机与目标

• 挑战传统观点，即认为纠缠是实现非局域量子干涉的必要条件。
• 在四光子系统中实验实现多光子受阻量子干涉（MFI）。
• 展示通过从未被探测的光子控制非局域干涉。
• 探讨路径不可区分性与相干性在生成非局域量子效应中的基础作用。

提出的方法

• 利用四组非线性晶体中的自发参量下转换（SPDC）产生四光子纯态，利用光子产生过程中固有的不可区分性。
• 设计系统使干涉源于物理起源（路径模式）的叠加，而非纠缠态。
• 对未被探测的光子实施相位调谐，观察其对剩余三光子干涉图案的影响。
• 使用额外的四块晶体（V–VIII）实施噪声抑制技术，以抑制杂散贡献，并将三光子干涉可见度提升至100%。
• 通过路径模式与光子对源的图表示，系统性地识别并消除干涉过程中的噪声项。
• 将GHZ态与双粒子纯态的行为进行对比，以分离路径身份与未探测光子相位在非局域干涉中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 非局域量子干涉是否可以在无量子纠缠的情况下发生？
• RQ2 从未被探测的光子能否以非局域方式影响其他光子的干涉图案？
• RQ3 路径不可区分性与物理起源叠加在生成非局域量子效应中起什么作用？
• RQ4 多光子系统中的非局域干涉是否本质上依赖于纠缠，还是可由产生过程中的相干性引发？

主要发现

• 在四光子系统中观察到非局域量子干涉，且光子内在属性中不存在任何纠缠。
• 通过调节从未被探测的光子的相位，实现了对干涉图案的控制，证明了无需测量即可实现非局域影响。
• 通过四块额外晶体实现噪声项的相消干涉，将三光子干涉可见度提升至100%。
• 非局域效应源于光子产生过程中物理起源的叠加与不可区分性，而非纠缠。
• 即使在双粒子纯态（|Ψ_product⟩）中，当未探测光子的路径不可区分时，干涉依然存在，表明路径身份本身即可产生非局域效应。
• 实验结果证实，非局域量子干涉可通过源过程中的相干性实现，挑战了纠缠对于非局域性为必要条件的传统观念。