[论文解读] Nonlocal Quantum Correlations: Beyond Entanglement

Mark E. Brezinski|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2012

Quantum Information and Cryptography参考文献 16被引用 3

一句话总结

本文区分了量子系统中由纠缠引起的非局域量子关联与由路径不可区分性引起的非局域量子关联，特别是在II型自发参量下转换（SPDC）光源中。研究证明，路径不可区分性——尤其是通过具有特定局域纠缠特性的相干单光子波包——可导致相干性扩展而非退相干，挑战了在实际量子应用中此类效应等同于纠缠的假设。

ABSTRACT

The utilization and control of nonlocal quantum interactions is an area of active investigation. This is not limited to subatomic structures but extends to the macroscopic level. Nonlocal interactions can be from either entanglement or path indistinguishability (the path integral for larger systems), with the latter being further subdivided as discussed. These two distinct phenomenon have recently been treated often in the literature as essentially identical, which is problematic when utilizing them for practical applications. The confusion may lie in misunderstanding the physics of the type II spontaneous parameteric downconversion source (SPDS), which is used extensively with entanglement studies. This paper examines the distinction, and why it is important for practical applications, between quantum correlations from path indistinguishability versus entanglement. The path indistinguishability approaches discussed, under ambient conditions, are performed with a thermal source or, a coherent source (single photon wavepacket) when local entanglements in both arm have specific characteristics. The latter we will show has the property that it can surprisingly lead to coherence expansion rather than decoherence under the proper conditions. Nonlocal quantum correlations are a complex topic that extends beyond quantum entanglement.

研究动机与目标

• 阐明由纠缠引起的非局域量子关联与由路径不可区分性引起的非局域量子关联之间的基本区别。
• 解决文献中广泛存在的将路径不可区分性与纠缠混淆的问题，尤其是在基于SPDC的实验中。
• 研究在环境条件下（通过热源或相干源）路径不可区分性如何导致出乎意料的量子效应。
• 证明在干涉仪设置的两臂中，特定的局域纠缠构型可引发相干性扩展而非退相干。
• 为依赖于纠缠之外的非局域关联的实际量子技术设计提供更清晰的物理基础。

提出的方法

• 使用II型SPDC光源作为模型系统，分析路径不可区分性在非局域量子关联中的作用。
• 在路径积分形式下，比较基于纠缠的关联与纯粹由路径不可区分性引起的关联的物理机制。
• 研究在环境条件下，具有两臂局域纠缠的相干单光子波包的行为。
• 应用量子光学形式化方法，模拟路径不可区分性如何导致相干性扩展而非退相干。
• 利用路径积分方法表明，路径的不可区分性可产生与纠缠无关的非局域关联。
• 评估相干性扩展发生的条件，特别是当两臂的局域纠缠具有特定对称特性时。

实验结果

研究问题

• RQ1 在SPDC光源中，由路径不可区分性引起的非局域量子关联在物理上如何不同于由纠缠引起的非局域量子关联？
• RQ2 为何将路径不可区分性与纠缠混淆会对实际量子应用造成问题？
• RQ3 在何种条件下，路径不可区分性可导致相干性扩展而非退相干？
• RQ4 两臂中的局域纠缠在通过路径不可区分性实现相干性扩展中起什么作用？
• RQ5 在环境条件下，热源和相干源如何通过路径不可区分性贡献于非局域关联？

主要发现

• 在量子系统中，路径不可区分性可独立于纠缠产生非局域关联，尤其在II型SPDC光源中表现明显。
• 认为路径不可区分性与纠缠等同的假设在物理上存在缺陷，会导致量子技术设计中的错误。
• 在适当条件下，具有特定局域纠缠的相干单光子波包在两臂中可引发相干性扩展而非退相干。
• 路径积分形式化表明，由路径不可区分性产生的非局域关联与基于纠缠的关联是截然不同的。
• 热源和相干源均可实现基于路径不可区分性的非局域关联，但后者在相干性增强方面展现出独特潜力。
• 两臂中特定的对称局域纠缠构型对于实现相干性扩展至关重要，提示了一种控制量子相干性的新机制。