신비한 춤의 시각화: 실제 포착된 광자의 양자 얽힘

2023년 8월 21일

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오타와 대학교

오타와 대학의 연구원들은 로마 사피엔자 대학의 Danilo Zia 및 Fabio Sciarrino와 공동으로 최근 빛을 구성하는 기본 입자인 두 개의 얽힌 광자의 파동 함수를 실제로 시각화할 수 있는 새로운 기술을 시연했습니다. 시간.

신발 한 켤레에 비유하면 얽힘의 개념은 무작위로 신발을 선택하는 것에 비유될 수 있습니다. 한 신발을 식별하는 순간, 우주에서의 위치에 관계없이 다른 신발의 특성(왼쪽 신발이든 오른쪽 신발이든)이 즉시 식별됩니다. 그러나 흥미로운 점은 정확한 관찰 순간까지 식별 과정과 관련된 내재된 불확실성입니다.

양자역학의 핵심 원리인 파동 함수는 입자의 양자 상태에 대한 포괄적인 이해를 제공합니다. 예를 들어, 신발의 예에서 신발의 "파동 함수"는 왼쪽 또는 오른쪽, 크기, 색상 등과 같은 정보를 전달할 수 있습니다.

보다 정확하게는 파동 함수를 통해 양자 과학자는 위치, 속도 등과 같은 양자 개체에 대한 다양한 측정의 가능한 결과를 예측할 수 있습니다.

이러한 예측 기능은 특히 빠르게 발전하는 양자 기술 분야에서 매우 중요합니다. 양자 컴퓨터에서 생성되거나 입력되는 양자 상태를 알면 컴퓨터 자체를 테스트할 수 있습니다. 더욱이, 양자 컴퓨팅에 사용되는 양자 상태는 매우 복잡하여 강력한 비국소적 상관 관계(얽힘)를 나타낼 수 있는 많은 엔터티를 포함합니다.

이러한 양자 시스템의 파동 함수를 아는 것은 어려운 작업입니다. 이를 양자 상태 단층 촬영 또는 줄여서 양자 단층 촬영이라고도 합니다. 표준 접근 방식(소위 투영 작업 기반)을 사용하면 전체 단층 촬영에는 시스템의 복잡성(차원성)에 따라 급격히 증가하는 많은 수의 측정이 필요합니다.

연구팀이 이 접근법을 사용하여 수행한 이전 실험에서는 얽힌 두 광자의 고차원 양자 상태를 특성화하거나 측정하는 데 몇 시간 또는 며칠이 걸릴 수 있음이 나타났습니다. 또한 결과의 품질은 노이즈에 매우 민감하며 실험 설정의 복잡성에 따라 달라집니다.

양자 단층 촬영에 대한 투영 측정 접근 방식은 독립적인 방향에서 서로 다른 벽에 투영된 고차원 물체의 그림자를 보는 것으로 생각할 수 있습니다. 연구자가 볼 수 있는 것은 그림자뿐이며, 그림자로부터 전체 물체의 모양(상태)을 추론할 수 있습니다. 예를 들어, CT 스캔(컴퓨터 단층 촬영 스캔)에서는 3D 물체의 정보가 2D 이미지 세트에서 재구성될 수 있습니다.

그러나 고전 광학에서는 3D 물체를 재구성하는 또 다른 방법이 있습니다. 이를 디지털 홀로그래피라고 하며, 물체에서 산란된 빛을 참조광과 간섭하여 얻은 인터페로그램이라는 단일 이미지를 기록하는 것을 기반으로 합니다.

uOttawa Nexus for Quantum Technologies(NexQT) 연구 기관의 공동 책임자이자 과학부 부교수이자 구조화된 양자 파동 캐나다 연구 의장인 Ebrahim Karimi가 이끄는 팀은 이 개념을 두 개의 광자의 경우로 확장했습니다.

이중광자 상태를 재구성하려면 이를 잘 알려진 양자 상태와 중첩한 다음 두 광자가 동시에 도착하는 위치의 공간 분포를 분석해야 합니다. 두 개의 광자가 동시에 도착하는 것을 이미지화하는 것을 우연의 이미지라고 합니다. 이러한 광자는 참조 소스 또는 알 수 없는 소스에서 나올 수 있습니다. 양자역학에서는 광자의 근원을 식별할 수 없다고 말합니다.