[论文解读] The Complete Quantum Cheshire Cat

Yelena Guryanova, Nicolas Brunner+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2012

Quantum Mechanics and Applications被引用 7

一句话总结

本文提出了一种完整的量子薛定谔猫态，通过使用纠缠的预选与后选量子态，将光子与其所有偏振分量完全分离。通过设计包含纠缠选择的预选与后选态的叠加，光子的路径与偏振在空间上实现解耦，展示了完全脱离载体的物理属性——该现象通过弱测量验证，并可利用现有光学技术实现。

ABSTRACT

We show that a physical property can be entirely separated from the object it belongs to, hence realizing a complete quantum Cheshire cat. Our setup makes use of a type of quantum state of particular interest, namely an entangled pre- and post-selected state, in which the pre- and post-selections are entangled with each other. Finally we propose a scheme for the experimental implementation of these ideas.

研究动机与目标

• 展示物理属性可完全脱离其载体，超越早期模型中观察到的部分分离现象。
• 构建一种量子态，使光子在空间上与所有其偏振分量分离，实现完整的薛定谔猫效应。
• 提出一种实验上可行的光学装置，利用现有技术实现并验证完整的量子薛定谔猫效应。
• 通过依赖纠缠的预选与后选态，凸显该效应的真正量子本质，从而与经典类比相区别。

提出的方法

• 该方案采用马赫-曾德尔干涉仪，包含一个光子（系统）与一个辅助光子，制备为包含纠缠预选与后选条件的叠加态。
• 预选态为系统光子在左右路径中处于特定偏振态的叠加，与辅助光子的偏振纠缠。
• 后选通过将系统与辅助光子投影到一个贝尔单重态上实现，使态坍缩为两种不同预选与后选配置的叠加。
• 弱测量用于探测每个光路中的路径与偏振，而不会扰动系统态，依赖CCD相机或飞行时间技术测量指针位移。
• 利用公式 ⟨A⟩_w = ⟨Φ|A|Ψ⟩ / ⟨Φ|Ψ⟩ 计算路径与偏振算符的弱值，从而探测非经典关联。
• 实验实现通过双折射元件与光束位移器，将偏振与路径自由度弱耦合到横向或时间光束轮廓作为指针。

实验结果

研究问题

• RQ1 物理属性能否被完全脱离其载体，使得该属性的任何部分都不再与物体共存？
• RQ2 何种量子态结构可实现粒子与其所有属性的完全分离？
• RQ3 弱测量如何用于观测属性与载体之间的空间分离，而无需强测量的反作用？
• RQ4 完整的薛定谔猫效应是否真正具有量子特性，还是可被经典模拟？
• RQ5 何种实验装置可利用现有光学技术实现并验证完整的量子薛定谔猫效应？

主要发现

• 本文构建了两个预选与后选态的叠加：|Φ⟩|Ψ⟩ + |Φ′⟩|Ψ′⟩，其中光子在空间上与所有其偏振分量分离。
• 左臂中路径算符的弱值为1，表明光子完全位于左臂；右臂中圆偏振算符的弱值为1，表明偏振完全位于右臂。
• 线性偏振分量也完全脱离：左臂中σ_x与σ_y的弱值为零，证实偏振未与光子共存。
• 该方案依赖于纠缠的预选与后选，确保效应具有真正的量子特性，无经典类比。
• 实验方案采用系统-辅助光子纠缠与联合后选至单重态，实现所需态的制备。
• 通过展示路径与偏振的弱测量可利用光束位移与CCD探测或飞行时间技术实现，验证了装置的可行性。