지연된 관찰

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 9758(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

양자 중첩은 양자역학의 초석으로, 구별할 수 없는 광자 특성을 통해 단일 광자의 자기 간섭에서 간섭 줄무늬가 발생합니다. 휠러의 지연 선택 실험은 양자역학의 상보성 이론을 이해하기 위해 지난 수십 년 동안 파동-입자 이중성에 대해 광범위하게 연구되어 왔습니다. 지연 선택 양자 지우개의 핵심은 인과 관계를 위반하는 상호 배타적인 양자 특성에 있습니다. 여기에서는 간섭계 외부에 배치된 편광판의 지연된 선택에 의해 응집성 광자 쌍을 사용하는 양자 지우개를 실험적으로 시연합니다. 관찰된 양자 지우개의 일관성 솔루션은 일반적인 Mach-Zehnder 간섭계에서 파생되며, 여기서 원인-효과 관계의 위반은 기본 선택의 선택적 측정으로 인해 발생합니다.

상보성 이론2을 위해 1978년 Wheeler가 제안한 지연 선택 실험은 지난 수십 년 동안 집중적으로 연구되었습니다3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. 상보성 이론의 원래 개념은 위치 및 운동량과 같은 교환 불가능한 엔터티 간의 배타적 특성에 대한 것이지만 간섭계 시스템에서 파동 입자 이중성의 측정 제어를 위해 지연 선택 실험이 개발되었습니다. 단일 광자의 파동-입자 이중성은 파동 특성 기반 프린지 가시성과 입자 특성 기반 어느 방향 정보 간의 균형 관계를 보여줍니다4. 지연된 선택 실험은 열광5, 얽힌 광자6,7,8, 원자9,10,11, 중성자3, 감쇠된 레이저4,12,13 및 반뭉치 단일 광자14,15를 사용하여 광범위하게 입증되었습니다. 지연된 선택에서 측정의 사후 제어는 원인-결과 관계를 위반하는 역설적인 현상을 초래합니다. 양자 지우개는 측정 후의 선택, 즉 특성 중 하나를 선택하거나 지우는 방식을 기반으로 합니다. 최근 양자 지우개는 얽힌 광자, 응집성 광자, 열광 및 다발 방지 광자를 사용한 사후 측정을 통해 주어진 자연을 반전시키기 위해 개발되었습니다.

본 논문에서는 지연 선택 양자 지우개를 편광 기반 제어를 통해 응집성 광자를 사용하여 실험적으로 시연했습니다. 여기서 응집성 광자는 감쇠된 연속파(cw) 레이저에서 얻습니다. 일부 지연 선택 방식13,14,18,19,21과 마찬가지로 현재의 방식은 미리 결정된 광자 특성의 사후 제어를 위한 것입니다. 여기서는 편광 빔 스플리터(PBS)와 빔 스플리터(BS)로 구성된 마하-젠더 간섭계(MZI)가 프레넬-아라고 법칙 또는 비상호작용 양자 연산자에 따라 입자 특성에 대해 설정됩니다. 따라서 MZI 내부 단일 광자의 어느 방향 정보는 미리 결정된 사실이므로 MZI의 출력 포트에 간섭 줄무늬가 발생하지 않습니다. 그러나 MZI 자체를 제어하지 않고 편광기를 사용하여 출력 광자의 편광 기준을 제어하여 광자의 파동 특성을 실험적으로 검색합니다. 사후 측정 결과 간섭 줄무늬가 나타나면 편광판의 선택이 공간과 같은 분리를 만족하므로 인과관계를 위반한 것입니다. 이를 위해 일치 계수 장치를 사용하여 1차 및 2차 강도 상관 관계를 측정했습니다.

그림 1은 감쇠된 CW 레이저에서 생성된 응집성 광자를 사용하는 현재 지연 선택 양자 지우개의 개략도를 보여줍니다("방법" 섹션 참조). 그림 1의 경우 두 검출기 D1과 D2(SPCM-AQRH-15, Excelitas) 간의 1차 및 2차 강도 상관 관계를 위해 일치 계수 장치(CCU, DE2; Altera)가 사용됩니다. 2차 상관 관계의 경우 이중 다발 광자만 CCU에 의해 계산됩니다. 여기서 단일 광자에 대한 이중 다발 광자의 생성 비율은 평균 광자 수 \(\langle n\rangle \sim 0.01\)에서 ~ 1%입니다( 보충 자료의 섹션 A를 참조하세요. 1차 강도 상관 관계의 경우 D1과 D2의 CCU 입력 채널 모두 데이터 포인트당 0.1초 동안 개별적으로 측정됩니다(그림 2 참조). 고차 다발 광자는 포아송 통계에 의해 무시됩니다(보충 자료의 섹션 A 참조). 단일 광자의 편광 무작위성을 제공하기 위해 \(22.5^\circ\) 회전 반파장판(HWP)이 MZI 바로 앞에 배치됩니다. 다음 PBS를 통해 MZI 내부의 단일 광자는 완벽한 방향 정보와 함께 구별 가능한 광자 특성을 보여줍니다. \({|\psi \rangle }_{MZI}=\frac{1}{\sqrt{2}}\left ({|V\rangle }_{UP}+{|H\rangle }_{LP}\right)\). 따라서 MZI 외부에서 측정된 광자는 참고문헌 13, 14, 19에서와 같이 단일 광자(표시되지 않음)의 미리 결정된 입자 특성을 보여줍니다.