[论文解读] Teleporting Grin of a Quantum Chesire Cat without cat

Debmalya Das, Arun Kumar Pati|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2019

Quantum Mechanics and Applications被引用 5

一句话总结

本文提出了一种协议，可在光子（猫）未实际存在的情况下，实现量子猫（Quantum Chesire Cat）的圆偏振（grin）的量子隐形传态。通过在干涉仪装置中使用弱测量与后选择，偏振态经由EPR纠缠对从爱丽丝传送到鲍勃，展示了偏振可独立于其原始系统存在并被转移，揭示了量子力学中属性与粒子的永久解耦。

ABSTRACT

Quantum Chesire Cat is a counterintuitive phenomenon that provides a new window into the nature of the quantum systems in relation to multiple degrees of freedom associated with a single physical entity. Under suitable pre and postselections, a photon (the cat) can be decoupled from its circular polarization (its grin). In this paper, we explore whether the grin without the cat can be teleported to a distant location. This will be a totally disembodied teleportation protocol. Based on the original Quantum Chesire Cat setup, we design a protocol where the circular polarization is successfully teleported between two spatially separated parties even when the photon is not physically present with them. The process raises questions in our understanding about properties of quantum system. In particular it shows that question like ``whose polarization is it'' can prove to be vacuous in such scenario.

研究动机与目标

• 研究当光子（猫）未实际存在于隐形传态位置时，其圆偏振（grin）是否可被隐形传态。
• 探讨此类无体隐形传态对量子属性本质及其所有权的影响。
• 证明即使隐形传态者对输入态一无所知且对过程保持无知，隐形传态仍可成功。
• 分析一种反直觉的情形：原始态的grin最终抵达隐形传态者的所在地，而非接收者的所在地。

提出的方法

• 利用马赫-曾德尔干涉仪装置，结合预选与后选，将光子的圆偏振与其空间路径分离。
• 在干涉仪的左臂和右臂实施弱测量，通过弱值验证空间与偏振的分离。
• 在爱丽丝与鲍勃之间使用共享的爱因斯坦-波多尔斯基-罗森（EPR）纠缠态，以实现分离偏振的隐形传态。
• 由爱丽丝与鲍勃执行局部操作与经典通信（LOCC），在不直接知晓输入态的情况下完成隐形传态协议。
• 通过后选确认隐形传态成功，并利用戴夫站点的弱测量验证偏振在鲍勃位置的到达。
• 分析位置与偏振算符的弱值，以确认空间分离：$(\Pi_L)^w = 1$，$(\Pi_R)^w = 0$，$(\sigma_z^{L})^w = 0$，$(\sigma_z^{R})^w = 1$

实验结果

研究问题

• RQ1 当光子本身未实际存在于隐形传态位置时，其偏振是否仍可被隐形传态？
• RQ2 若原始光子在空间上被分离，抵达接收者的偏振具有何种性质？
• RQ3 当通过后选实现系统与属性的永久解耦时，量子属性的所有权如何变化？
• RQ4 当隐形传态者对输入态保持无知时，量子信息可被传输的程度如何？
• RQ5 在隐形传态协议中交换两个量子猫的'grin'会产生何种影响？

主要发现

• 即使光子未实际存在于爱丽丝或鲍勃的位置，其圆偏振仍可通过EPR纠缠对成功传送到鲍勃。
• 弱测量证实光子定域于左臂（$(\Pi_L)^w = 1$），而偏振位于右臂（$(\sigma_z^{R})^w = 1$），证明了空间分离。
• 隐形传态在爱丽丝与鲍勃均不知晓输入偏振态的情况下成功，保护了协议的完整性，避免了波函数坍缩。
• 抵达鲍勃的偏振源自原始输入态，但其旅程终点位于爱丽丝的端口，表明'grin'并非由接收者拥有。
• 隐形传态后，爱丽丝拥有原始偏振但无光子，而鲍勃拥有光子但无偏振，展示了系统与属性的永久解耦。
• 该过程表明，在此类后选情景下，'谁的偏振'这一概念变得空洞，挑战了经典直觉中关于量子力学中属性所有权的理解。