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- 영상 제목: 미래가 과거에 영향을 준다는 최초의 과학적 증거. 과학자들이 마침내 관측한 '역인과율'
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🗂️ 논문 정보
- DOI: 10.48550/arXiv.2505.00336
- ISO 690: FUKUDA, Ryuya, et al. Experimental evidence for the physical delocalization of individual photons in an interferometer. arXiv preprint arXiv:2505.00336, 2025.
- 저자: Ryuya Fukuda, Masataka Iinuma, Yuto Matsumoto, Holger Hofmann
- 카테고리: 물리학
📄 논문 대표 이미지
✨ 논문 핵심 요약
서론
이 논문은 단일 광자의 비국소화 현상을 탐구합니다. 전통적으로, 광자의 경로 정보와 간섭 패턴은 서로 배타적인 것으로 간주되어 왔습니다. 그러나 최근 연구는 이러한 가정에 도전하며, 광자의 비국소화를 실험적으로 증명할 수 있는 새로운 방법을 제시합니다. 이 연구는 약한 상호작용을 통해 광자가 두 경로 모두에 존재할 수 있음을 보여주며, 이는 양자역학의 기본적인 원리를 더 깊이 이해하는 데 기여합니다.
방법론
연구진은 광자의 편광을 조절하여 비국소화 현상을 관찰하는 실험을 설계했습니다. 광자의 편광 회전은 두 경로에 반대되는 방향으로 적용되며, 이를 통해 광자가 두 경로에 걸쳐 비국소화되어 있음을 나타내는 증거를 제공합니다. 실험은 Sagnac 유사 간섭계를 사용하여 수행되었으며, 각 경로에 배치된 Half-Wave-Plates를 통해 편광 회전이 실현됩니다. 실험 결과는 광자의 편광 전환 확률을 측정함으로써 얻어집니다.
결과
실험 결과는 광자가 두 경로에 걸쳐 비국소화되어 있음을 보여줍니다. 건설적 간섭이 발생하는 고확률 출력 포트에서 광자는 두 경로에 걸쳐 비국소화되며, 반면에 파괴적 간섭이 발생하는 저확률 출력 포트에서 광자는 한 경로에 "초-국소화"되어 있음을 나타냅니다. 이러한 현상은 광자의 편광 전환 확률의 변화를 통해 관찰되며, 이는 광자가 두 경로 모두에 존재할 수 있는 물리적 상태의 증거를 제공합니다.
결론
이 연구는 단일 광자의 비국소화 현상에 대한 비전통적인 실험 증거를 제공합니다. 광자의 편광 회전을 통해 비국소화를 정량화할 수 있는 실험적 방법을 소개하며, 이는 양자역학의 기본적인 원리를 더 깊이 이해하는 데 기여합니다. 실험 결과는 광자가 두 경로 모두에 동시에 존재할 수 있음을 보여주며, 이는 양자 정보 과학과 양자 컴퓨팅 분야에서의 응용 가능성을 열어줍니다. 이 연구는 또한 양자역학의 초기 주장, 즉 측정 결과가 관찰자의 참여에 의존할 수 있음을 확인할 수 있는 중요한 실험적 증거를 제공합니다.
📖 논문 상세 요약
초록
이 논문은 단일 광자의 간섭 패턴 탐지가 가능한 경로 정보를 모두 지워버린다는 일반적인 가정에 도전하며, 약한 상호작용을 통해 단일 입자의 물리적 비국소화(physical delocalization)에 대한 비전통적인 실험 증거를 제공할 수 있음을 제시합니다. 이 연구는 편광(polarization)의 작은 회전에 의해 유도된 편광 전환율을 사용하여 개별 광자의 비국소화를 정량화할 수 있는 실험 설정을 소개합니다.
실험 결과는 두 경로의 동등한 중첩 상태에서 탐지된 광자가 높은 확률의 출력 포트에서 비국소화되며, 낮은 확률의 출력 포트에서 탐지될 때 "초-국소화(super-localized)"됨을 보여줍니다. 이는 간섭계의 출력에서 광자의 탐지에 따라 비국소화가 달라짐을 확인시켜 주며, 미래의 측정에 의해 설정된 맥락에 따라 물리적 현실이 달라질 수 있음을 직접적으로 실험적으로 증명합니다.
이 연구는 편광 전환율을 측정하는 방법을 통해, 광자가 간섭계를 통과할 때 두 경로 모두에 동시에 존재할 수 있는 물리적 상태의 증거를 제공합니다. 이는 양자역학의 기본적인 원리 중 하나인 입자의 비국소화 현상을 더 깊이 이해하는 데 기여하며, 미래의 측정이 현재의 물리적 상태에 영향을 미칠 수 있음을 보여주는 중요한 실험적 증거를 제공합니다. 이러한 발견은 양자 정보 과학과 양자 컴퓨팅 분야에서의 응용 가능성을 열어줄 수 있습니다.
Introduction
서론
단일 광자 간섭은 양자역학의 통계적 예측의 이상함을 보여주는 데 널리 사용됩니다. 두 경로 간섭계를 통과하는 광자의 경우, 광자는 결국 두 출력 포트 중 하나에서만 감지되는데, 이는 입자가 한 번에 하나의 장소에만 있을 수 있다는 아이디어와 일치합니다. 그러나 많은 광자가 개별적으로 주입되어 감지된 후에 각 출력 포트에서 광자를 감지할 확률은 간섭계 내부의 두 경로 사이의 파동과 같은 간섭에 의해서만 설명될 수 있습니다. 이 이중성은 흥미로운 질문을 제기합니다. 간섭계를 통한 파동과 같은 전파가 광자의 국소적 감지와 어떻게 조화될 수 있을까요? 전통적인 대답은 광자의 어느 경로 정보와 간섭 패턴의 가시성 사이의 상충 관계에 대한 것으로, 보통 상보성(complementarity) 개념과 관련이 있습니다. 우리는 간섭 경로 사이의 확률이 간섭에 의존할 때 간섭계를 통한 광자의 전파 방식에 대해 아무것도 알 수 없다고 받아들여야 한다고 말합니다.
최근 이 전통적 입장은 개념적인 이유와 실용적인 이유로 비판을 받고 있습니다. 개념적으로, 벨의 부등식(Bell's inequality) 위반은 양자이론이 특정 현실 모델을 배제한다는 것을 보여주어, 입자의 과거에 대한 몇몇 진술이 이론적 형식론에서 유도될 수 있음을 나타냅니다. 실용적인 측면에서, 새로운 설정과 측정 방법은 양자역학에서 단일 입자 전파의 비고전적 측면에 대한 실험적 증거를 제공했습니다. 이 방향으로의 주목할 만한 돌파구는 지연 선택 양자 지우개 실험(delayed-choice quantum eraser experiment)이었는데, 이 실험은 광자 얽힘을 사용하여 파동과 같은 전파(즉, 간섭)와 입자와 같은 전파(즉, 경로 정보) 사이를 "전환"할 수 있음을 보여주었습니다. 이 결과들은 파동-입자 이중성이 측정 독립적 현실에 의해 설명될 수 없음을 확인시켜 주지만, 개별 광자의 행동에 대한 증거를 제공하지는 못합니다. 이러한 정보를 얻는 것은 많은 감지 이벤트의 잡음 통계에서 추출해야 하기 때문에 실제로 어렵습니다. 간섭 효과와 경로 사이의 상충 관계는 두 사이의 어떤 상관관계도 상당한 양의 배경 잡음에 의해 가려질 것임을 의미합니다. 그럼에도 불구하고, 특정 광자 감지 이벤트의 사후 선택을 통해 상보적인 양의 조건부 평균을 평가할 수 있는 약한 측정(weak measurements)에서 이러한 상관관계를 분리할 수 있습니다. 이러한 약한 값이 직접 측정에서 관찰된 값의 범위를 벗어난다는 사실은 오랫동안 지속된 문제를 제기했습니다.
이 논문은 약한 측정(weak measurements)과 그 결과의 물리적 의미에 대한 논란을 다루며, 최근 연구에서 양자 피드백을 사용하여 시스템과 양자 탐침 사이의 약한 상호작용의 영향을 보상함으로써 약한 값의 통계적 변동을 정량화하는 새로운 방법을 소개했습니다. 이 결과는 이후에 간섭계의 두 경로 사이에서 단일 중성자의 비국소화를 시연하는 데 적용되었으며, 이는 약한 값이 간섭계의 경로를 따라 입자의 비국소화를 설명한다는 강력한 증거를 제시했습니다. 그러나 이러한 결과들은 경로 사이의 초기 편향에 의존했기 때문에, 동일한 진폭의 경로 간 간섭의 더 전통적인 경우에 적용하기 어려웠습니다.
본 연구에서는 단일 입자의 비국소화를 극적으로 관찰할 수 있는 문제를 해결하고자 합니다. 이는 극성 변화(polarization flips)의 직접적인 관찰을 기반으로 한 실험적 증거를 통해 입증됩니다. 실험적 증거는 관찰된 비국소화가 정밀한 위상 변화에 비선형적으로 의존함을 드러내며, 이는 특정 측정이 양자 시스템에 적용될 때 물리적 현실의 의존성을 보여줍니다.
본 실험의 기본 아이디어는 작은 극성 회전이 수직(V) 극성으로 편광된 입력 광자에 미치는 영향에 관한 것입니다. 이러한 극성 회전이 광자를 수평(H) 극성으로 뒤집는 비율은 회전 각도의 크기에만 의존하며, 그 방향에는 의존하지 않습니다. 간섭계의 두 경로에 반대 극성 회전을 적용하면, 두 경로를 따라 이동하는 광자는 동일한 비율로 뒤집힙니다. 극성 뒤집힘 비율의 변화는 두 회전이 동일한 광자에 작용하여 단일 광자가 경험하는 극성 변화에 각 회전이 기여하는 상대적인 기여도에 따라 결합된 회전이 발생할 때만 발생합니다. 따라서 간섭계의 출력에서 관찰된 H-극성의 확률 P(H)에 의해 제공되는 극성 뒤집힘 비율은 개별 광자의 비국소화에 대한 직접적인 실험적 증거를 제공합니다. 이는 개별 광자가 두 가능한 경로를 따라 물리적으로 분포하는 비율에 의해 결정되며, 비국소화는 반대 회전의 상쇄로 인해 뒤집힘 비율을 감소시킵니다. 반면에 뒤집힘 비율의 증가는 광자가 한 경로에 극단적으로 집중되어 있음을 시사합니다.
이 논문은 양자역학의 한 가지 놀라운 현상인 '슈퍼-로컬라이제이션(super-localization)'에 대한 실험적 증거를 제시합니다. 슈퍼-로컬라이제이션은 개별 광자가 한 경로에서는 음의 분획의 편광 회전을 경험하고, 다른 경로에서는 상응하는 증가된 분획의 편광 회전을 경험하는 현상을 말합니다. 이는 광자의 분포가 한 경로에서 음의 값을 가지고 다른 경로에서는 1보다 큰 값을 가질 수 있음을 나타내는, 직관적으로 이해하기 어려운 결과입니다. 광자 밀도의 음의 부호는 회전 방향의 반전을 나타내며, 이로 인해 편광 회전이 더해집니다.
실험 결과는 간섭계의 출력에서 감지된 각 광자의 비국소화 정도가 감지된 출력 포트에 따라 달라짐을 보여줍니다. 경로 간의 간섭이 건설적인 고확률 출력에서 감지된 광자의 경우, 플립율이 억제되어 두 경로에 걸친 비국소화를 나타냅니다. 이는 광자가 두 경로 중 각각을 따라 정확히 절반씩 지나가는 완벽한 분할에 해당합니다. 반면, 경로 간의 간섭이 파괴적인 저확률 출력에서 감지된 광자의 경우, 한 경로에서의 슈퍼-로컬라이제이션에 해당하는 편광 플립율의 증가가 관찰됩니다. 이 효과는 간섭의 가시성에 의해서만 제한되는 최대치에 도달합니다.
이 실험은 양자 입자의 과거가 입자가 최종적으로 감지되는 미래의 측정에 의해 달라질 수 있음을 보여줍니다. 이는 양자역학 초기에 종종 제기되었던 주장, 즉 측정 결과가 관찰자의 참여에 의존한다는 주장을 확인할 수 있는 결과입니다. 100년 후, 우리는 이 암호 같은 주장의 의미를 설명할 수 있는 객관적 증거를 마침내 찾았을 수 있습니다. 이러한 돌파구의 이유는 새로운 실험적 가능성 덕분입니다.
이 과학 논문은 양자역학의 기본 개념 중 하나인 입자의 국소화와 비국소화에 대해 탐구합니다. 특히, 약한 상호작용을 통해 입자의 경로에 대한 정보와 간섭 효과 사이의 상관관계를 밝히는 실험적 증거를 제시합니다. 이 연구는 양자 상태의 물리적 의미를 이해하는 데 있어 측정 과정의 중요성을 강조하며, 양자역학의 기본 원리를 새로운 실험적 가능성의 맥락에서 재해석하는 데 기여합니다.
연구진은 빛의 입자인 광자가 빔 스플리터를 통과할 때 발생하는 현상을 분석하여, 광자가 두 경로 중 하나에 국한되지 않고 두 경로 모두에 동시에 존재할 수 있는 '비국소화' 현상을 실험적으로 증명합니다. 이를 위해, 연구진은 광자의 국소화 상태를 변화시키는 약한 상호작용인 국소 편광 회전의 효과를 관찰하고, 이를 통해 광자가 두 경로에 걸쳐 비국소화되어 있음을 나타내는 증거를 제시합니다. 이 과정에서 양자역학에서 중요한 역할을 하는 '슈퍼포지션'(superposition, 중첩 상태) 개념이 실험적으로 어떻게 나타나는지를 설명합니다.
논문은 또한 양자 상태의 슈퍼포지션과 간섭 효과 사이의 관계를 정량적으로 분석합니다. 연구진은 두 경로에 대한 광자의 편광 상태를 수치화하여, 각 경로에 +1 또는 -1의 값을 할당하고, 이를 통해 간섭 실험에서의 출력 포트를 결정하는 단계와 위상 관계 사이의 상관관계를 밝힙니다. 이러한 분석을 통해, 간섭 효과가 각 입자의 물리적 비국소화를 요구한다는 것과, 입자가 주어진 경로 집합에서 국소화되거나 비국소화되는 것이 초기 상태만으로 결정되지 않고, 각 개별 입자의 관찰 가능한 효과를 완성하는 측정에 동등하게 의존한다는 것을 증명합니다. 이는 양자 상태의 물리적 의미를 제대로 설명하기 위해서는 측정 과정에 대한 더 나은 이해가 필요함을 시사합니다.
Observable effects of photon delocalization
관찰 가능한 광자 비국소화의 효과
광자의 경로에 대한 설명
광자 비국소화의 관찰 가능한 효과에 대한 연구는 광자가 두 경로 중 하나에 위치하는지 여부를 나타내는 양인 Â의 특성을 중심으로 진행됩니다. 초기 상태가 고유 상태 |1⟩일 때, Â는 고유값 +1을 반환하여 광자가 경로 1에 국소화되어 있음을 나타냅니다. 반대로, 고유 상태가 |2⟩일 경우, Â는 고유값 -1을 제공하여 광자가 경로 2에 국소화되어 있음을 나타냅니다. 따라서 Â의 고유값은 광자가 경로에 국소화되어 있는지의 여부를 나타냅니다. ±1 이외의 값이 관찰되는 경우, 이는 광자가 어떤 형태로든 비국소화되어 있음을 나타내는 신호로 해석됩니다.
광자의 편광 정보 전달
광자가 간섭계의 한 출력 포트에서 감지되면, 광자는 두 경로 중 어느 한쪽에서도 감지될 수 없으며 Â에 대한 고유값을 할당할 수 없습니다. 그러나 광자의 경로 정보를 광자의 편광으로 전달함으로써 Â의 값을 얻을 수 있습니다. 수직 편광된 광자로 시작하여, 경로 1에서는 +θ0의 각도로, 경로 2에서는 -θ0의 각도로 선형 편광을 회전시킵니다. 이러한 편광 회전은 경로에 배치된 Half-Wave-Plates (HWPs)를 통해 실현될 수 있으며, 로컬 각도 θ0이 충분히 작으면(≪ 1), 출력 포트에서 관찰되는 간섭에 거의 영향을 미치지 않습니다. 이제 Â의 값은 광자의 회전 각도에 인코딩되며, 간섭계의 출력에서 광자의 편광을 감지함으로써 이 회전의 효과를 관찰할 수 있습니다.
비국소화와 편광 전환 확률
비국소화와 국소화된 광자를 구분하는 것이 우리의 주된 관심사이므로, Â의 제곱에 의해 주어진 Â의 크기에 주목합니다. 이 크기는 V-편광에서 H-편광으로 편광이 전환될 확률 P(H|±)에서 관찰할 수 있습니다. 작은 회전 각도 θ에 대해, 이러한 편광 전환의 확률은 대략 θ^2로 주어집니다. 회전 각도가 경로 값에 의해 θ = θ0Â로 관련되어 있기 때문에, A^2(±) = P(H|±)/θ0^2를 통해 A^2(±)의 값을 얻을 수 있습니다. 광자가 어느 한 경로에 국소화되어 있는 경우, 편광 전환 확률 P(H|±)은 θ0^2와 같아야 합니다. 실험적으로 관찰된 P(H|±) < θ0^2의 값은 A^2(±) < 1을 의미하며, 이는 광자가 두 경로에 걸쳐 물리적으로 분포되어 있어 반대 회전이 부분적으로 상취되는 것을 나타냅니다. 특히, A^2(±) ≈ 0은 광자가 한 경로와 다른 경로에 반씩 있는 동등한 분포에 해당합니다. V-편광에서 H-편광으로의 편광 전환 억제는 비국소화의 신뢰할 수 있는 지표로, 우리가 간섭계의 두 출력 포트와 관련된 비국소화를 식별할 수 있게 합니다.
이 연구는 광자의 국소화와 초국소화 현상을 탐구하며, 특히 광자가 한 경로에 "초국소화"되어 다른 경로와 비교했을 때 그 기여도가 더 큰 경우를 설명합니다. 광자의 플립 확률 (P(H|\pm))은 회전 각도 (\theta^2)의 제곱이 지역적 한계 (\theta^2_0)를 넘어서 증가함을 나타냅니다. 이 증가는 두 회전 각 중 하나가 그 부호를 바꿨음을 시사하며, 이는 한 경로에서 광자의 부정적 존재와 다른 경로에서 1보다 큰 존재가 상쇄되는 현상과 일치합니다. 이러한 초국소화는 광자가 한 경로에 집중되어 있음을 의미하며, 이로 인해 두 경로의 기여도 차이가 국소화된 광자에게 허용되는 것보다 큽니다. 모든 경우에서, 양의 크기는 편광 플립 확률에서 직접 관찰되며, (P(H|\pm) < \theta^2_0)은 비국소화를, (P(H|\pm) > \theta^2_0)은 초국소화를 나타냅니다.
실험 설정은 Sagnac 유사 간섭계를 중심으로 구성되었습니다. 이 간섭계는 두 경로 사이의 상대적 위상의 안정성을 보장합니다. 광원으로는 평균적으로 초당 110000개의 광자율을 갖는 808.5nm 파장의 레이저 다이오드가 사용되었습니다. 입력 광자는 50:50 빔 스플리터(BS)를 통해 간섭계에 들어가고 나옵니다. 경로 사이의 위상 변화는 한 경로에만 삽입된 유리판을 기울여 제어했습니다. 출력 광자의 편광은 각 출력에 배치된 두 개의 Glan-Thompson 편광기(GT)로 구별되었으며, 이는 광섬유를 통해 avalanche photo diode (APD) 검출기에 연결된 섬유 결합기 바로 앞에 배치되었습니다. 두 APD의 다크 카운트는 광원에서 빛을 차단하여 평가되었으며, 이를 통해 낮은 검출 확률에서 정확한 카운트율을 달성하기 위해 총 카운트에서 다크 카운트 배경을 뺄 수 있었습니다.
실험의 주요 불완전성 원인은 광자가 간섭계에 들어가고 나오는 빔 스플리터였습니다. 빔 스플리터에서의 반사와 투과의 정확한 비율은 1.121로, 이는 52.85%의 반사율에 해당합니다. 이러한 반사와 투과 사이의 불균형은 경로 간의 간섭 가시성에 미미한 영향을 미칩니다. 더 문제가 되는 것은 이 불균형의 편광 의존성입니다. 비국소화 측정의 오류를 피하기 위해, 우리는 한 경로를 차단하여 그 경로의 회전된 편광을 특성화했습니다.
이 논문은 광자의 편광(polarization)을 이용하여 공간적 비국소화(spatial delocalization)를 탐구하는 실험에 대해 다룹니다. 광자의 편광은 두 경로 사이에서 각 광자의 공간적 분리를 탐지하는 도구로 사용됩니다. 특히, V-편광된 입력 광자가 H-편광으로 전환될 확률은 A2(±)의 값을 결정하며, 이는 각각 + 및 -포트에서 간섭계를 빠져나가는 광자들의 비국소화 정도를 나타냅니다.
실험에서는 180°의 전체 범위에 대해 32단계로 위상 차이(ϕ)를 변화시키면서 데이터를 수집했습니다. 각 단계는 약 5.625°의 길이를 가지며, 검출된 편광의 방향을 H와 V 사이에서 전환하면서, 각 설정에 대해 동일한 시간 창(100초)을 사용하여 각 편광 방향에 대한 계수율을 얻었습니다. 이 데이터는 특정 출력 포트에서 광자가 검출될 때의 플립 확률 P(H|+) 및 P(H|-)을 평가하는 데 사용되었습니다.
실험 결과는 두 개의 GT(글랜 톰슨 프리즘)를 약간 조정하여 편광이 반대 방향으로 회전함을 확인함으로써 얻어졌습니다. 이는 부록 A에서 자세히 설명됩니다. 이러한 방법을 통해, 연구팀은 광자의 공간적 비국소화를 정량적으로 측정할 수 있었으며, 이는 양자역학의 기본적인 특성 중 하나인 입자의 비국소성을 이해하는 데 중요한 기여를 합니다. 실험 데이터와 분석 결과는 광자의 편광 상태와 공간적 위치 사이의 상관관계를 보여주며, 이는 양자 간섭 현상을 이해하는 데 중요한 정보를 제공합니다.
Results
결과 요약
간섭무늬 특성화
본 연구에서는 Sagnac 유사 간섭계를 사용하여 H 및 V 편광된 광자의 계수를 결합하여 총 출력 확률 P(+) 및 P(-)를 얻었습니다. 이 측정에서 얻은 간섭무늬는 그림 4에 나타나 있습니다. 경로에서의 편광 회전이 이미 구현되었음을 주목하세요. 실험적으로 관찰된 가시성은 편광과 경로 간의 상호작용에 의해 발생하는 모든 비탄성 효과를 포함합니다. 간섭 가시성은 + 출력에 대해 0.9575, - 출력에 대해 0.9629로 평가되었습니다. 이러한 약간의 차이는 간섭계에서 사용된 빔 분할기의 불완전성에 의한 효과로 설명될 수 있으며, 이는 ϕ = 0°에서 P(+) 결과에 ϕ = 180°에서 P(-) 결과보다 덜 영향을 미칩니다.
편광 전환 확률
그림 5와 그림 6은 편광 전환 확률 P(H|±)과 해당 경로 값의 제곱 A^2(±)에 대한 실험 결과를 보여줍니다. 그림 5에서는 두 경로가 간섭된 후 관찰된 광자의 전환율과 한 경로에 국한된 광자의 전환율을 비교합니다. 개별 경로에 대한 데이터는 다른 경로를 차단하고 모든 다른 설정을 변경하지 않은 상태에서 취득되었습니다. 경로 1과 경로 2에 국한된 광자에 대해 취득된 결과는 국한된 광자가 약 0.015의 편광 전환 확률만 유발할 수 있음을 보여줍니다. 다양한 위상 변화에 대해 얻은 결과를 평균화하여 얻은 값은 출력 포트 -에 대해 0.01482 ± 0.00003이고 출력 포트 +에 대해 0.01587 ± 0.00003입니다(부록 A 참조).
광자의 물리적 비국한화
두 경로가 모두 열려 있고 간섭이 발생하면 상황이 크게 달라집니다. 그림 5에 나타난 바와 같이, ϕ > 90°에서 P(H|-) < 0.015 (A^2(-) < 1)의 전환율이 관찰되어, -출력을 선호하는 구성 간섭이 있을 때 광자가 두 경로 사이에 물리적으로 비국한화됨을 나타냅니다. ϕ = 180° 근처에서 P(H|-) 확률이 거의 0으로 떨어지는 것은 두 경로의 편광 회전이 서로 상쇄되기 때문입니다. 이러한 상쇄는 각 광자가 HWP1과 HWP2 모두와 동등하게 상호작용할 때만 달성될 수 있습니다. 양적으로, 광자는 두 경로에 물리적으로 분포되어 있어야 하며, 한 경로에는 절반의 광자가, 다른 경로에는 나머지 절반의 광자가 있어야 합니다. 마찬가지로, 그림 5는 구성 간섭에 의해 선호되는 포트에서 간섭계를 나올 때 광자가 비국한화될 것임을 보여줍니다. 따라서 비국한화는 가장 가능성 높은 출력 검출 결과와 관련이 있습니다. 반대로, 출력 확률이 파괴적인 간섭에 의해 억제되는 출력 포트의 광자는 P(H|±) > 0.015의 전환 확률을 가지며, 이는 A^2(±) > 1에 해당합니다. 이전에 논의된 바와 같이, 국한된 광자에 대한 값보다 전환 확률이 증가하는 것은 한 경로에서 "초-국한화" 형태를 나타냅니다.
이 연구는 광자의 편광 회전 방향의 효과적인 반전을 설명하고, 특정 경로에서 광자의 일부가 다른 경로에서 회전을 경험하는 것과 관련된 단일 입자 정규화를 요구합니다. 이 결과는 한 경로에 편향된 입력 상태를 가진 약한 값(weak values)이 관찰된 것과 일치합니다. 그림 5는 한 출력 포트에서 초-국소화(super-localization)가 관찰될 때 다른 포트에서 비국소화(delocalization)가 관찰됨을 보여줍니다. 이는 A2(±)가 H-편광 광자의 확률에 비례한다는 개념과 일치하며, 최종 빔 분리기에서의 간섭 효과는 H-편광 광자의 총 수를 변경할 수 없기 때문에, 모든 결과에 대한 A2의 통계적 평균은 최종 측정(경로 측정이든 간섭 측정이든)에 독립적이어야 합니다.
경로 측정에서 개별 값과 평균이 모두 하나와 같기 때문에, 간섭 측정의 평균 역시 하나여야 합니다. 따라서, 모든 단계 ϕ에 대해 A2(+)P(+) + A2(-)P(-) = 1이라는 관계가 성립합니다. 이 관계는 초-국소화의 상한에 대한 흥미로운 결과를 가지고 있습니다. 0도에 가까울 때, A2(+)는 거의 0에 가깝지만, 확률 P(-)도 거의 0에 가깝습니다. 따라서, ϕ = 0에서, A2(-) ≈ 1/P(-)입니다. 따라서, 최대 관찰 가능한 초-국소화는 간섭의 가시성에 따라 달라집니다.
그림 6은 출력 확률이 파괴적 간섭에 의해 억제될 때 관찰된 광자의 초-국소화를 보여줍니다. 그래프(a)는 ϕ < 90°일 때 파괴적 간섭이 관찰되는 P(H|-)의 단계 의존성을 보여주고, 그래프(b)는 ϕ > 90°일 때 파괴적 간섭이 관찰되는 P(H|+)의 단계 의존성을 보여줍니다. 그래프의 오른쪽 축은 A2(±)의 해당 값을 제공합니다. P(H|±)의 반전 확률은 출력 확률 P(±)이 최소일 때 최대 값을 달성합니다. P(H|-)는 ϕ = 0°에서 최대 값 0.857 ± 0.005를 달성하고, P(H|+)는 ϕ = 180°에서 최대 값 0.663 ± 0.002를 달성합니다. 이 최대 값들은 각각 -출력과 +출력에 대한 가시성 0.9629와 0.9575와 일치합니다. 따라서, 두 최대 값 사이의 차이는 두 출력 포트에서 파괴적 간섭의 가시성의 약간의 차이에 의해 설명될 수 있습니다. A2(±) 측면에서, 관찰된 최대 초-국소화는 ϕ = 0°에서 A2(-) = 57.80 ± 0.34이고, ϕ = 180°에서 A2(+) = 41.78 ± 0.17로, 한 경로에서의 편광 회전의 약 4배 증가와 다른 경로에서의 반전 및 약 3배 증가에 대략 해당합니다.
이 과학 논문은 양자역학의 한 영역에서 실험적으로 관찰된 현상인 '초지역화(super-localization)'에 대해 다루고 있습니다. 초지역화는 특정 조건 하에서 광자의 국소화된 상태가 강화되어, 광자의 위치나 상태를 평소보다 훨씬 정밀하게 측정할 수 있게 하는 현상을 의미합니다. 이 연구에서는 광자의 편광(polarization) 회전을 통해 이러한 초지역화 현상을 실험적으로 관찰하고, 그 결과를 정량적으로 분석하였습니다.
연구팀은 광자의 편광 회전을 조절하여, 특정 각도(ϕ)에서 광자의 상태를 변화시키고, 이를 통해 초지역화의 정도를 측정했습니다. 실험 결과는 두 가지 주요 각도인 0도(ϕ = 0°)와 180도(ϕ = 180°)에서 얻어졌으며, 각각의 경우에 대해 초지역화의 최대값(A2(±))과 관련된 가시성(visibility)을 측정했습니다. 가시성이란 실험에서 관찰된 현상의 명확성을 나타내는 지표로, 값이 높을수록 현상이 더 명확하게 관찰됨을 의미합니다. 0도에서는 가시성이 약 0.9629, 180도에서는 가시성이 약 0.9575로 측정되었습니다. 이는 각각의 각도에서 관찰된 초지역화 현상이 매우 높은 정밀도로 일어남을 보여줍니다.
연구 결과의 핵심은 그림 6(b)에 나타나 있습니다. 이 그림은 ϕ = 180°에서 P(H|+)의 결과를 보여주며, 여기서 최대값 0.663±0.002가 관찰되었습니다. 이에 해당하는 A2(+)의 값은 41.78 ± 0.17로, 이는 가시성 약 0.952에 해당하는 출력 확률 0.024로 역산됩니다. 이러한 결과는 실험적으로 결정된 가시성과 일치하며, ϕ = 0°와 ϕ = 180°에서 관찰된 가시성의 차이를 설명해 줍니다. 또한, 실험에서 관찰된 최대 초지역화 값은 A2(±) = 50 주변으로, 이는 가시성이 약 0.96임을 나타냅니다. 이는 한 경로에서의 편광 회전이 4배 증가하고, 다른 경로에서는 3배 증가하는 것과 같은 효과를 나타내며, 이는 국소 편광 회전의 실험적으로 관찰 가능한 효과가 약 50배 증가됨을 설명하기 위해 필요한 초지역화의 양입니다.
이 연구는 초지역화 현상을 통해 광자의 국소화된 상태를 향상시킬 수 있는 가능성을 실험적으로 보여줍니다. 이는 광학 및 양자 정보 과학 분야에서의 정밀 측정, 이미징 기술 개발에 중요한 기여를 할 수 있습니다. 연구팀은 광자의 편광 회전을 조절하는 방법을 통해 초지역화 현상을 성공적으로 관찰하고, 이를 통해 얻은 데이터를 분석하여 초지역화의 정도와 그에 따른 가시성의 변화를 정량적으로 증명했습니다. 이러한 결과는 향후 광자의 상태를 더욱 정밀하게 조작하고 측정하는 데 있어 중요한 이론적 및 실험적 기반을 제공합니다.
Discussion
논의
이 연구의 결과는 간섭계를 통과하는 동안 개별 광자가 어떻게 물리적으로 비국소화되는지를 보여줍니다. 여기서 비국소화의 개념은 경로 내의 지역 상호작용에 의해 제공된 경험적 증거 측면에서 설명됩니다. 모든 광자가 한 경로에만 국소화되어 있을 때 편광 반전율이 동일하도록 보장함으로써, 두 경로 사이의 입자 비국소화와 직접 관련된 실험적으로 관찰 가능한 현상을 확인했습니다. 그림 5에서 보여주는 바와 같이, 이 현상은 입자가 해당 경로에서 검출될 때 그 경로 중 하나에 국소화되어 있다는 사실과 일치합니다. 그러나 입자가 간섭계의 출력 포트에서 검출될 때 상황은 달라집니다.
간섭계 내에서 광자의 비국소화를 나타내는 것으로, 건설적 간섭에 의해 선호되는 출력 포트에서 검출된 대부분의 광자는 두 지역 효과의 비례적 조합을 경험합니다. 간섭 효과가 강할수록 각 광자의 경로 사이 분포가 더 균등해집니다. 이 효과는 간섭이 두 빔의 강도가 같을 때 가장 잘 작동한다는 기대와 일치합니다. 따라서 건설적 간섭에서 검출된 광자는 고전적 파동 강도와 매우 유사하게 행동합니다. 그러나 출력 포트에서의 검출은 여전히 양자역학의 통계적 해석이 요구하는 입자처럼 전부 또는 전무의 사건입니다.
파괴적 간섭이 검출 확률을 줄이는 포트에서 검출된 광자의 훨씬 드문 경우도 고려해야 합니다. 최종 측정에 의해 모든 광자의 평균 편광 반전율이 변경될 수 없기 때문에, 비국소화에 의한 반전율 감소는 반대 효과인 초국소화에 의한 반전율 증가와 관련이 있어야 합니다. 그림 6에 나타난 실험 결과는 이 현상을 확인합니다. 광자가 파괴적 간섭에서 검출될 때, 그것은 지역 회전보다 훨씬 큰 편광 회전을 경험합니다. 이는 반대 회전의 효과가 더해져 한 경로에서의 부정적 기여에 의한 부호 반전과 다른 경로에서의 기여 증가를 시사합니다. 고전적 파동 전파 측면에서, 이를 진폭 변동이 진폭의 부호를 바꾼 것으로 해석하고 싶을 수 있지만, 개별 입자의 검출과는 화해될 수 없는 지나치게 고전적인 해석이라는 점을 명심해야 합니다. 대신, 불가능한 출력 포트에서의 검출은 극단적인 변동이며, 따라서 비국소화의 동등하게 극단적인 변동과 관련될 수 있다는 관찰에 초점을 맞춰야 합니다.
요약하자면, 우리는 간섭계 내부의 개별 입자의 물리적 비국소화를 보여주었습니다. 이 연구는 광자가 간섭계를 통과하며 어떻게 비국소화되는지에 대한 이해를 높이고, 광자의 거동이 고전적 파동 강도와 어떻게 유사한지, 그리고 양자역학의 통계적 해석과 어떻게 일치하는지를 설명합니다. 이러한 발견은 양자역학의 기본적인 이해와 광자의 비국소화 현상에 대한 더 깊은 통찰을 제공합니다.
이 연구는 양자 중첩과 입자의 위치 결정에 대한 실험적 연구를 통해 양자역학의 기본 개념에 대한 새로운 이해를 제시합니다. 실험은 약한 상호작용을 사용하여 입자의 r 값을 결정함으로써 수행되었으며, 결과는 최종 측정이 간섭 효과에 민감하지 않을 때만 입자가 국소화됨을 보여줍니다. 이러한 발견은 양자 중첩에 대해 생각하는 방식에 심각한 영향을 미칩니다. 실제 증거가 없는 상태에서, 양자 상태의 각 구성 요소가 측정이 수행되었는지 여부에 관계없이 측정 결과를 나타낸다고 주장하는 것은 유혹적입니다. 그러나 우리의 결과는 이러한 반실재적 가정의 오류를 보여줍니다.
양자역학의 형식주의에서, 상태 벡터와 그 중첩의 역할은 모호합니다. 실제 실험만이 이러한 개념의 물리적 의미를 식별할 수 있습니다. 물리적 성질을 나타내는 연산자의 고유 상태와 물리적 성질을 성급하게 동일시하는 것에서 오해가 생겼을 수 있습니다. 이전 연구에서 보여준 바와 같이, 여기서 제시된 실험은 양자역학의 표준 형식주의와 일치하며, 여기서 사용된 비국소화의 정의는 적절한 연산자 순서를 통해 형식화될 수 있습니다(부록 C에서 자세한 내용). 본 연구에서는 순수한 수학적 정의가 임의적으로 보이고 실질적인 의미가 거의 없을 것이기 때문에 실험적 실현을 강조했습니다.
양자역학의 전통적 접근 방식의 문제는 그 추상성이 자연을 탐구할 수 있는 다양한 가능성을 숨긴다는 것입니다. 현재 작업은 간섭계에서 개별 입자의 경우에 대한 이 문제를 해결하고, 모든 양자 현상에 대한 더 나은 실질적 이해로 나아가는 길을 열었습니다. 보정 각도를 평가하기 위해, 우리는 보충 그림 A1에 표시된 바와 같이 두 경로 중 하나를 차단하고 GT(θ GT)의 각도에 따른 P(H|1)과 P(H|2)의 의존성을 측정하고 결과를 맞춤 분석하여 평가했습니다. 보충 그림 A1의 그래프(a)는 교과서 양자역학이 다른 강도에서 수행된 측정 간의 통계적 상관관계를 설명하지 못하지만, 이러한 상관관계는 형식주의가 설명하는 물리학의 근본적인 부분임을 보여줍니다. 정밀 측정의 대표자로서의 고유 상태에 초점을 맞춤으로써, 양자 형식주의가 공동으로 관찰될 수 없는 물리적 성질 간의 잘 정의된 상관관계를 잘 설명한다는 사실이 가려졌습니다. 이러한 상관관계는 새로운 종류의 실험에서 관찰될 수 있으며, 현재 작업은 이 새로운 접근 방식의 특히 두드러진 응용입니다.
이 과학 논문은 양자역학의 기본 개념 중 하나인 입자의 비국소화와 관련된 실험 결과를 설명하고 있습니다. 특히, 이 연구는 양자 객체가 입자 탐지를 위한 극단적인 상호작용에 노출되지 않았을 때 어떻게 행동하는지를 밝히는 관찰 가능한 현상에 초점을 맞추고 있습니다. 연구진은 수학적 형식만으로 실험 결과를 예측할 수 있음을 보여주지만, 이러한 방정식이 입자의 비국소화에 대한 물리적 효과를 설명한다는 것을 입증하기 위해서는 실험이 필수적임을 강조합니다.
연구의 핵심은 측정 의존성의 물리적 현실을 나타내는 수학적 표현에 있습니다. 연구진은 상태를 변화시키는 연산자들이 어떻게 작용하는지를 설명하며, 이는 개별 입자가 간섭계에서 어떻게 탐지되는지에 대한 이해를 돕습니다. 특히, 입자의 비국소화를 설명하는 (A^2(±)) 값은 출력에서 관찰된 확률의 비율로 주어지며, 이는 간섭에서 탐지된 입자의 비국소화 정도를 나타냅니다.
이 연구는 양자 물리학의 전체 잠재력을 실현하는 데 도움이 될 것으로 기대됩니다. 연구진은 교과서에서 유도된 편견, 즉 고유 상태와 고유값을 가상의 현실과 동일시하는 경향이 이러한 현상을 잘못 해석하게 만든다고 지적합니다. 이 연구는 양자 객체가 입자 탐지를 위한 극단적인 상호작용에 노출되지 않았을 때의 행동을 밝히는 것을 목표로 하며, 이를 통해 양자 물리학의 이해를 넓히고 교과서에서 유도된 편견을 극복할 수 있기를 희망합니다.
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간섭계에서 개별 광자의 물리적 비국소화에 대한 실험적 증거
초록
단일 광자가 간섭 패턴의 일부로 검출되면 모든 가능한 경로 정보가 지워진다고 일반적으로 가정됩니다. 그러나 최근의 통찰은 약한 상호작용이 간섭계를 통과하는 단일 입자의 물리적 비국소화에 대한 비상식적인 실험적 증거를 제공할 수 있음을 시사합니다. 여기서 우리는 개별 광자의 비국소화를 소극적인 편광 회전에 의해 유도된 편광 플립의 비율을 사용하여 정량화할 수 있는 실험적 설정을 제시합니다. 결과는 두 경로의 동등한 중첩에서 검출된 광자가 높은 확률의 출력 포트에서 비국소화되고, 낮은 확률의 출력 포트에서 "초국소화"된다는 것을 보여줍니다. 따라서 우리는 비국소화가 간섭계의 출력에서 광자의 검출에 의존한다는 것을 확인할 수 있으며, 이는 미래의 측정에 의해 설정된 맥락에 대한 물리적 현실의 의존성에 대한 직접적인 실험적 증거를 제공합니다.
서론
단일 광자 간섭은 양자 역학의 통계적 예측의 기묘함을 설명하는 데 널리 사용됩니다 [1–4]. 두 경로 간섭계를 통과하는 광자의 경우, 광자는 결국 두 출력 포트 중 하나에서만 검출되며, 이는 입자가 한 번에 한 장소에만 있을 수 있다는 아이디어와 일치합니다. 그러나 많은 광자가 개별적으로 주입되고 검출된 후 각 출력 포트에서 광자를 검출할 확률은 간섭계 내부의 두 경로의 파동 같은 간섭에 의해서만 설명될 수 있습니다. 이 이중성은 흥미로운 질문을 제기합니다. 간섭계를 통한 파동 같은 전파는 광자의 국소적 검출과 어떻게 조화될 수 있을까요? 전통적인 대답은 광자의 경로 정보와 간섭 패턴의 가시성 사이의 상호 보완성 개념과 종종 관련된 상호 보완성 관계로 설명됩니다 [5–8]. 우리는 관찰된 결과의 확률이 경로 간의 간섭에 의존할 때 광자가 간섭계를 통해 전파된 방식에 대해 아무것도 알 수 없다고 받아들이도록 요구받습니다. 최근에 이 전통적인 입장은 개념적 이유와 실용적인 이유로 비판을 받았습니다. 개념적으로, 벨의 부등식 위반은 양자 이론이 특정 현실 모델을 배제한다는 것을 보여주었으며, 이는 입자의 과거에 대한 일부 진술이 이론적 형식주의에서 도출될 수 있음을 나타냅니다 [19–25]. 실용적인 측면에서는 새로운 설정과 새로운 측정 방법이 양자 역학에서 단일 입자 전파의 비고전적 측면에 대한 실험적 증거를 제공했습니다 [26–34]. 이 방향에서 주목할 만한 돌파구는 지연 선택 양자 지우개 실험이었으며, 이는 광자 얽힘을 사용하여 파동 같은 전파(즉, 간섭)와 입자 같은 전파(즉, 경로 정보) 사이를 "전환"할 수 있음을 보여주었습니다 [9–12]. 이러한 결과는 파동-입자 이중성이 측정 독립적 현실로 설명될 수 없음을 확인합니다. 그러나 이들은 개별 광자의 행동에 대한 증거를 제공하지 못합니다. 실제로 그러한 정보를 얻기는 어렵습니다. 왜냐하면 이는 많은 검출 이벤트의 노이즈가 많은 통계에서 추출되어야 하기 때문입니다. 간섭 효과와 경로 사이의 상호 보완 관계는 두 가지 사이의 모든 상관관계가 상당한 양의 배경 노이즈에 의해 가려질 것임을 의미합니다. 그럼에도 불구하고 약한 측정에서 특정 광자 검출 이벤트의 사후 선택을 통해 상보적 양의 조건부 평균을 평가할 수 있는 약한 측정에서 이러한 상관관계를 분리하는 것이 가능합니다 [13–15]. 이러한 약한 값이 직접 측정에서 관찰된 값의 범위를 벗어난다는 사실은 약한 측정과 그 결과의 물리적 의미에 대한 오랜 논란을 불러일으켰습니다 [16–18, 35–37]. 최근 연구에서 우리는 시스템과 양자 탐침 간의 약한 상호작용의 효과를 보상하기 위해 양자 피드백을 사용하여 약한 값의 통계적 변동을 정량화하는 새로운 방법을 도입했습니다 [38]. 이 결과는 이후 간섭계의 두 경로 사이에서 단일 중성자의 비국소화를 입증하는 데 적용되었으며, 이는 약한 값이 간섭계의 경로에 대한 입자의 비국소화를 설명한다는 것을 강하게 나타냅니다 [39]. 그러나 이러한 결과는 경로 간의 초기 편향에 의존했으며, 이는 경로 간의 동등한 진폭 간섭의 더 일반적인 경우에 적용하기 어렵게 만들었습니다. 여기서는 이 문제를 다루고 단일 입자의 비국소화가 관찰될 수 있음을 보여줄 것입니다.
[40]에서 제안된 대로 편광 플립의 직접 관찰을 기반으로 한 실험. 실험적 증거는 관찰된 비국소화가 정확한 위상 변화에 비상식적으로 의존함을 드러내며, 이는 양자 시스템에 적용된 특정 측정에 대한 물리적 현실의 의존성을 입증합니다.
현재 실험의 근본적인 아이디어는 수직(V) 편광 입력 광자에 대한 작은 편광 회전의 효과와 관련이 있습니다. 이러한 편광 회전이 광자를 수평(H) 편광으로 플립시키는 비율은 회전 각도의 크기에만 의존하며 방향에는 의존하지 않습니다. 간섭계의 두 경로에 반대 방향의 편광 회전을 적용하면 두 경로 중 하나를 따라 이동하는 광자는 동일한 비율로 플립됩니다. 플립 비율이 변경될 수 있는 유일한 방법은 두 회전이 동일한 광자에 작용하여 각 회전이 단일 광자가 경험하는 편광 변화에 기여하는 상대적 기여에 따라 회전이 결합되는 경우입니다. 간섭계 출력에서 관찰된 H-편광의 확률 P(H)에 의해 주어진 편광 플립 비율은 개별 광자의 비국소화에 대한 직접적인 실험적 증거를 제공하며, 이는 개별 광자에 대한 서로 다른 경로에서의 국소 편광 회전의 비례적 효과로 운영적으로 정의됩니다. 측정에서 경로 정보를 얻지 못한다는 점에 유의해야 합니다. 플립 비율은 두 경로에서 동일하며 어느 경로가 더 많이 기여하고 어느 경로가 덜 기여하는지 알 수 없습니다. 대신, 편광 플립의 비율은 두 가지 사용 가능한 경로에 대한 개별 광자의 물리적 분포에 의해 결정됩니다. 비국소화는 반대 회전의 상쇄로 인해 플립 비율을 감소시키며, 플립 비율의 증가는 광자가 한 경로에 극도로 집중되어 있음을 시사합니다. 후자는 처음에는 직관에 반하는 것처럼 보일 수 있습니다. 이는 한 경로에서 광자의 분포가 음의 값을 가지며 다른 경로에서 1보다 큰 값을 허용하기 때문입니다. 여기서 광자 밀도의 음수 부호는 회전 방향의 반전을 나타내며, 편광 회전이 더해지도록 합니다. 각 경로에서 관찰된 수준을 초과하는 편광 플립 비율의 증가는 개별 광자가 하나의 편광 회전에서 음의 분수를 경험하고 다른 편광 회전에서 그에 상응하는 증가된 분수를 경험하는 "초국소화"의 실험적 증거입니다. 이 결과는 중성자 간섭 실험 [39]에서 음의 약한 값의 관찰과 일치하며, 여기서 입자가 해당 경로에서 음의 존재를 가질 수 있으며 다른 경로에서는 1보다 큰 존재를 가질 수 있음을 발견했습니다. 현재 실험에서 우리는 두 경로에서 반대 방향의 편광 회전에 의해 유도된 스핀 플립 비율에서 이 초국소화가 직접 실험적으로 관찰 가능한 효과를 가지고 있음을 보여줍니다.
다음에 제시할 결과는 간섭계 출력에서 감지된 각 광자의 비국소화 정도가 감지된 출력 포트에 따라 달라진다는 것을 보여줍니다.
경로 간 간섭이 건설적인 높은 확률 출력에서 감지된 광자의 경우, 플립 비율이 억제되어 두 경로에 걸친 비국소화를 나타냅니다. 확률이 100%에 가까울 때, 이 비국소화는 광자가 정확히 절반씩 두 경로를 따라 이동하는 완벽한 분할에 해당합니다. 간섭 효과가 약해지면 광자의 비국소화도 약해지며, 각 광자는 두 경로에서 편광 회전을 경험하는 다른 비율로 분할됩니다. 반대로, 경로 간 간섭이 파괴적인 낮은 확률 출력에서 감지된 광자의 경우, 우리의 결과는 경로 중 하나에서 초국소화에 해당하는 편광 플립 비율의 증가를 보여줍니다. 이 효과는 간섭의 가시성에 의해 제한된 최대치에 도달합니다. 우리는 초국소화가 건설적 간섭에서 관찰된 비국소화를 보상하기 위해 필요하다는 점을 지적합니다. 이는 두 출력 포트의 편광 플립 비율이 항상 경로 측정에서 관찰된 경로 중 하나에 광자가 국소화되는 것과 일치해야 하기 때문입니다.
우리의 실험은 양자 입자의 과거가 궁극적으로 입자가 감지되는 미래의 측정에 따라 달라진다는 것을 보여줍니다. 다소 아이러니하게도, 이 결과는 양자 역학 초기 시절에 자주 제기되었던 주장, 즉 측정 결과가 관찰자의 참여에 의존한다는 주장을 확인할 수 있습니다. 100년 후, 우리는 마침내 이 암호 같은 주장에 대한 의미를 설명할 수 있는 객관적인 증거를 발견했을지도 모릅니다. 이 돌파구의 이유는 약한 효과의 관찰에서 최대 정보를 추출할 수 있는 새로운 실험적 가능성 때문입니다. 경로에서의 입자에 대한 전통적인 감지는 가능한 간섭 효과에 대한 모든 정보를 파괴하는 대규모 개입이며, 두 개의 별도 실험 시나리오 간의 관계에 대한 철학적 추측만 남깁니다. 반면에, 약한 상호작용은 미래 간섭 효과의 원인에 대한 양자 메모리를 생성하여 경로에 대한 분포와 간섭 실험에서 출력 포트를 결정하는 위상 관계 간의 상관성을 드러냅니다. 이 상관성은 간섭 효과가 각 입자의 물리적 비국소화를 필요로 한다는 것을 증명하며, 이는 고전적 파동 이론이 제안하는 바와 같습니다. 주어진 경로 집합에서 입자가 국소화되었는지 비국소화되었는지는 초기 상태에 의해 단독으로 결정되지 않으며, 각 개별 입자의 관찰 가능한 효과를 완성하는 측정에 동등하게 의존합니다. 따라서 우리의 결과는 새로운 실험적 가능성의 더 넓은 맥락에서 양자 상태의 물리적 의미를 적절히 설명하기 위해 측정 과정에 대한 더 나은 이해가 필요하다는 것을 나타냅니다.
광자 비국소화의 관찰 가능한 효과
그림 1 광자 비국소화의 측정 의존성에 대한 설명. (a)는 경로 1 또는 경로 2에서 감지된 국소화된 광자를 보여줍니다. 초기 빔 스플리터에서 각 광자의 경로는 무작위로 선택됩니다. (b)는 두 번째 빔 스플리터에서 간섭 후 감지된 비국소화된 광자를 보여줍니다. 이 경우, 광자가 물리적으로 비국소화되어 한 경로에 더 큰 부분이 있고 다른 경로에 더 작은 부분이 있는 것이 상상 가능합니다. 광자는 두 개의 다른 경로를 따라 전파되는 두 개의 양으로 물리적으로 분리됩니다.
양자 형식주의는 중첩 개념에 대한 명확한 설명을 제공하지 않습니다. 단일 광자 입력이 빔 스플리터를 통과할 때, 파동 함수의 진폭은 빔 스플리터 뒤의 두 경로에 대한 감지 확률로 해석될 수 있으며, 이는 그림 1(a)에 나와 있습니다. 그러나 두 번째 빔 스플리터가 두 경로를 간섭할 때 출력 확률을 결정하기 위해서는 두 진폭이 모두 필요합니다. 따라서 간섭 효과는 광자가 간섭기 내에서 물리적으로 비국소화될 수 있음을 시사하며, 광자의 일부는 한 경로에 있고 다른 부분은 다른 경로에 있습니다.
그림 2 광자 비국소화를 관찰하는 방법. 수직 편광된 광자가 두 경로 간섭기에 주입됩니다. 우리는 간섭기의 두 경로에 배치된 두 개의 반파판(HWP), HWP1 및 HWP2를 사용하여 편광에 대한 국소 작업을 적용합니다. HWP1은 편광을 작은 각도 θ0(≪ 1)만큼 회전시키고, HWP2는 같은 각도 −θ0(≪ 1)만큼 반대 방향으로 편광을 회전시킵니다. V-편광에서 H-편광으로의 편광 플립 확률은 회전 각도의 제곱에 비례하므로, 국소화된 광자는 모두 동일한 확률로 플립합니다, P (H|1) = P (H|2). 간섭이 관찰되면 출력 포트에서 관찰된 편광 플립 확률 P (H|±)가 변경되며, 낮은 플립 확률은 국소 회전이 서로 상쇄될 수 있음을 나타냅니다. 따라서 플립 확률 P (H|±)는 간섭기 내 광자의 비국소화에 대한 직접적인 증거를 제공합니다.
여기서 우리는 간섭기 출력에서 관찰된 편광에 대한 국소 편광 회전의 효과를 평가하여 이 비국소화 효과에 대한 실험적 증거를 얻을 수 있음을 보여줍니다. 이를 위해 우리는 경로와 편광 간의 상호작용을 정량적으로 고려하여
경로 1에 +1, 경로 2에 −1의 값을 할당합니다. 경로 양은 다음과 같이 주어집니다.
양자 Aˆ는 경로 1과 경로 2에서 광자의 존재를 나타냅니다. 초기 상태가 고유 상태 |1⟩인 경우, Aˆ는 고유값 +1을 반환하여 경로 1에 국한된 광자를 나타냅니다. 고유 상태가 |2⟩인 경우, Aˆ는 고유값 −1을 반환하여 경로 2에 국한된 광자를 나타냅니다. 따라서 Aˆ의 고유값은 경로에서의 광자의 위치를 나타냅니다. 반대로, ±1이 아닌 값을 관찰하는 것은 광자가 어떤 형태로든 비국소화되어 있음을 나타냅니다.
우리는 |ψ⟩ = 1/root 2 (|1⟩ + |2⟩)의 두 경로의 동등한 중첩으로 표현된 입력 상태를 고려합니다.광자가 간섭계의 출력 포트 중 하나에서 검출되면, 광자는 어느 경로에서도 검출될 수 없으며 Aˆ에 고유값을 할당할 수 없습니다. 그러나 우리는 여전히 경로 정보를 광자의 편광으로 전환하여 Aˆ의 값에 대한 정보를 얻을 수 있습니다. 수직 편광된 광자로 시작하여, 우리는 경로 1에서 +θ0의 국소 회전과 경로 2에서 −θ0의 국소 회전을 적용하여 선형 편광을 θ0Aˆ 각도로 회전시킵니다. 이러한 편광 회전은 경로에 있는 반파판(HWPs)에 의해 실현될 수 있습니다.
그림 2에 표시된 대로. 국소 각도 θ0가 충분히 작으면(≪ 1), 이러한 회전은 출력 포트에서 관찰되는 간섭에 거의 영향을 미치지 않습니다. 이제 Aˆ의 값은 광자의 회전 각도에 인코딩되어 있으며, θ0Aˆ 각도로 회전한 효과는 간섭계 출력에서 광자의 편광을 검출하여 관찰할 수 있습니다.
우리의 의도는 비국소화된 광자와 국소화된 광자를 구별하는 것이므로, 우리는 주로 Aˆ의 제곱으로 주어진 크기에 관심이 있습니다. 이 크기는 V-편광에서 편광이 뒤집히는 확률 P (H|±)에서 관찰할 수 있습니다.
H-편광으로. 작은 회전 각도 θ에 대해, 이러한 편광 전환의 확률은 대략 θ²로 주어집니다. 회전 각도는 경로 값과 관련이 있습니다.
θ = θ0Aˆ에 의해, 우리는 아래의 식으로 A2(±)의 값을 얻을 수 있습니다.
만약 광자가 어느 한 경로에 국한되어 있다면, 전환 확률 P (H|±)는 θ²(아래첨자 0)와 같아야 합니다. 실험적으로 관찰된 P (H|±) < θ²(아래첨자 0)의 값에 대해, 우리는 A2(±) < 1임을 발견합니다.
회전 각도는 국소 회전 각도보다 작으며, 이는 물리적으로 광자가 두 경로에 걸쳐 분포되어 있음을 나타내며, 반대 방향의 회전이 부분적으로 상쇄됩니다. 특히, A2(±) ≈ 0은 광자가 한 경로에 절반, 다른 경로에 절반씩 있는 균등한 분포에 해당합니다. V-편광에서 H-편광으로의 편광 전환 억제는 비국소화의 신뢰할 수 있는 지표로, 간섭기의 두 출력 포트와 관련된 비국소화를 식별할 수 있게 합니다. 비국소화의 물리적 효과는 편광 회전과 관련된 전환 확률 P (H|±)의 감소입니다. 반대로, 전환 확률 P (H|±)의 증가는 국소 한계 θ²를 초과하는 제곱 회전 각도 θ²의 증가를 나타냅니다. 이 증가는 두 회전 각도 중 하나가 부호를 변경했음을 시사합니다. 이는 한 경로에서 광자의 부정적 존재에 해당하며, 다른 경로에서 1보다 큰 존재로 보상됩니다. 광자는 한 경로에 "초국소화"되어 있으며, 이는 국소화된 광자에 허용된 것보다 두 경로의 기여 차이가 더 크다는 것을 의미합니다. 모든 경우에, 양 Aˆ의 크기는 편광 전환의 확률에서 직접 관찰되며, P (H|±) < θ²(아래첨자 0)의 값은 비국소화를 나타내고, P (H|±) > θ²(아래첨자 0)의 값은 초국소화를 나타냅니다.
실험 설정
Fig. 3 Sagnac 유사 간섭계를 사용한 실험 설정의 그림. 수직 편광된 입력 광자는 레이저에 의해 방출되었으며, ND 필터를 사용하여 평균적으로 110000/s의 광자율을 얻기 위해 약화되었습니다. 50:50 분할의 빔 스플리터(BS)가 중첩 상태의 준비를 위해 사용되었습니다. 상대 위상 ϕ는 간섭계의 두 경로에 놓인 두 개의 유리판 중 하나를 기울여 제어했습니다. 출력 광자는 각 위상에서 100초 동안 두 개의 Avalanche 광자 검출기(APD)에 의해 계수되었으며, Glan-Thompson 편광기(GT)가 수평 및 수직 편광을 구별하는 데 사용되었습니다.
우리의 실험 설정은 Fig. 3에 나와 있습니다. 그 중심 부분은 두 경로 간의 상대 위상의 안정성을 보장하는 Sagnac 유사 간섭계입니다. 광자 소스로는 808.5nm 파장의 레이저 다이오드를 사용했습니다. 강도는 ND 필터에 의해 평균적으로 110000/s의 광자율로 감소되었습니다. 입력 광자는 50:50 빔 스플리터(BS)를 통해 간섭계에 들어가고 나옵니다. 경로 간의 위상 변화는 각각 하나의 경로에만 삽입된 유리판을 사용하여 제어되었습니다. 출력 광자의 편광은 광섬유를 통해 Avalanche 광자 다이오드(APD) 검출기에 연결된 광섬유 커플러 바로 앞에 배치된 두 개의 Glan-Thompson 편광기(GT)로 구별되었습니다. 두 APD의 암계수는 광자 소스로부터의 빛을 차단하여 평가되었으며, 이를 통해 총 계수에서 암계수 배경을 빼서 낮은 검출 확률에서 정확한 계수율을 달성할 수 있었습니다(자세한 내용은 부록 B 참조).
우리는 실험적 불완전성의 주요 원인이 광자가 간섭계에 들어가고 나오는 빔 스플리터임을 발견했습니다. 빔 스플리터에서의 반사와 투과의 정확한 비율은 1.121로, 이는 52.85 %의 반사율에 해당합니다. 이 전송과 반사 간의 불균형은 경로 간의 간섭 가시성에 미미한 영향을 미친다는 점을 주목해야 합니다. 더 문제가 되는 것은 이 불균형의 편광 의존성입니다. 비국소화 측정에서 오류를 피하기 위해, 우리는 출력에서 해당 경로의 회전된 편광을 특성화하기 위해 하나의 경로를 차단했습니다. 그런 다음 두 GT의 약간의 조정을 통해 편광이 반대 방향으로 회전했음을 확인할 수 있었습니다(자세한 내용은 부록 A 참조).
이전 섹션에서 설명한 바와 같이, 광자 편광은 각 경로 간의 광자의 공간적 비국소화의 탐침 역할을 합니다. 구체적으로, V-편광된 입력 광자가 H-편광으로 전환될 확률은 A2(±)의 값을 결정하며, 따라서 각각 + 및 − 포트에서 간섭계를 나가는 광자의 비국소화를 결정합니다. 데이터는 ϕ의 위상 차이를 180°의 전체 범위에서 32단계로 변화시키면서 수집되었으며, 각 단계는 약 5.625°의 길이입니다. 우리는 검출된 편광의 방향을 H와 V 사이에서 전환하여 각 설정에 대해 동일한 시간 창 100초를 사용하여 각 편광 방향에 대한 계수율을 얻었습니다. 그런 다음 이 데이터를 사용하여 특정 출력 포트에서 광자가 검출될 때의 전환 확률 P (H|+) 및 P (H|−)를 평가했습니다.
결과
우리는 먼저 출력 포트에서 H 및 V 편광된 광자의 계수를 결합하여 Sagnac 유사 간섭계의 간섭 프린지를 특성화하여 총 출력 확률 P (+) 및 P (−)를 얻었습니다. 이 측정에서 얻은 간섭 프린지는 Fig. 4에 나와 있습니다. 경로에서의 편광 회전이 이미 구현되었음을 주목하십시오. 실험적으로 관찰된 가시성은 따라서 편광과 경로 간의 상호작용에 의해 발생한 모든 탈코히어런스 효과를 포함합니다. 간섭 가시성은 + 출력에 대해 0.9575, − 출력에 대해 0.9629로 평가되었습니다. 이 약간의 차이는 간섭계에서 사용된 빔 스플리터의 불완전성의 영향으로 설명될 수 있으며, 이는 ϕ = 0°에서 P (+) 결과에 비해 ϕ = 180°에서 P (−) 결과에 더 적은 영향을 미칩니다.
Fig. 4 간섭계의 각기 다른 위상 ϕ에서 각각의 출력 포트에서 광자를 검출할 확률 P (+) 및 P (−). 위상은 5.625° 간격으로 −22.5°에서 202.5°로 변경되었습니다. 데이터에서 얻은 가시성은 + 출력에 대해 0.9575, − 출력에 대해 0.9629입니다. 이러한가시성은 경로에서의 국소 편광 회전에 의해 유도된 탈코히어런스 효과를 포함합니다.
그림 5와 그림 6은 플립 확률 P(H|±)와 해당 경로 값의 제곱 A²(±)에 대한 실험 결과를 보여줍니다. 그림 5에서는 두 경로 중 하나에 위치한 광자에 대해 얻은 편광 플립 비율을 두 경로가 간섭한 후 관찰된 광자의 플립 비율과 비교합니다. 개별 경로에 대한 데이터는 다른 경로를 차단하고 나머지 설정은 변경하지 않은 상태에서 수집되었습니다. 경로 1과 경로 2에 위치한 광자에 대한 결과는 위치한 광자가 약 0.015의 편광 플립 확률만 유도할 수 있음을 보여줍니다. 다양한 위상 변화에 대해 얻은 결과를 평균한 값은 출력 포트 −에 대해 0.01482 ± 0.00003, 출력 포트 +에 대해 0.01587 ± 0.00003입니다(세부 사항은 부록 A에 있음). 두 경로가 열려 있고 간섭이 발생하면 상황이 크게 변하며, 이는 그림 5의 실선 원으로 나타납니다. 그림 5 (a)에 나타난 바와 같이, ϕ > 90°일 때 P(H|−) < 0.015 (A²(−) < 1)의 플립 비율이 관찰되며, 이는 건설적 간섭이 − 출력 포트를 선호할 때 광자가 경로 사이에 물리적으로 비국소화됨을 나타냅니다. ϕ = 180° 부근에서 P(H|−)의 플립 확률이 거의 0으로 떨어지며, 이는 두 경로에서의 편광 회전이 서로 상쇄됨을 나타냅니다. 이 상쇄는 각 광자가 HWP1과 HWP2와 동일하게 상호작용할 때만 달성될 수 있습니다. 정량적으로, 광자는 두 경로에 물리적으로 분포되어야 하며, 한 경로에 반, 다른 경로에 반이 있어야 합니다. 마찬가지로, 그림 5 (b)에 나타난 바와 같이, P(H|+) < 0.015 (A²(+) < 1)의 플립 비율이 ϕ < 90°일 때 관찰되며, 이는 건설적 간섭이 + 출력 포트를 선호할 때 광자가 비국소화됨을 나타냅니다. ϕ = 0° 부근에서 P(H|+)의 플립 확률이 0으로 떨어지며, 이는 한 경로에 반, 다른 경로에 반이 있는 최대 비국소화를 나타냅니다.
그림 5 건설적 간섭에 의해 선호되는 출력 포트에서 관찰된 광자의 비국소화. 그래프 (a)는 P(H|−)의 위상 의존성을 보여주며, 여기서 건설적 간섭은 ϕ > 90°일 때 관찰됩니다. 그래프 (b)는 P(H|+)의 위상 의존성을 보여주며, 여기서 건설적 간섭은 ϕ < 90°일 때 관찰됩니다. 실선 원은 출력에서 두 경로가 간섭했을 때의 측정 결과를 나타냅니다. 실선 사각형과 실선 다이아몬드는 경로 중 하나가 차단되었을 때 얻은 데이터를 나타냅니다. 이 데이터는 위치한 광자의 특성인 A²(±) = 1의 값을 나타냅니다. 그래프의 오른쪽 축은 이 비교를 기반으로 한 A²(±)의 해당 값을 제공합니다.
그림 5는 광자가 간섭계에서 나와 건설적 간섭에 의해 선호되는 포트로 나갈 때 비국지화된다는 것을 보여줍니다. 따라서 비국지화는 가장 가능성이 높은 출력 검출 결과와 관련이 있습니다. 반대로, 출력 확률이 파괴적 간섭에 의해 억제되는 출력 포트의 광자는 P (H|±) > 0.015의 뒤집힘 확률을 가지며, 이는 A2(±) > 1의 값에 해당합니다. 앞서 논의한 바와 같이, 이는 국지화된 광자의 값보다 높은 뒤집힘 확률의 증가는 "초국지화"의 한 형태를 나타내며, 한 경로에서 입자의 방향을 효과적으로 반전시키기 위해서는 그 경로에서 입자의 음의 부분이 필요하고, 단일 입자 정규화는 다른 경로에서 1보다 큰 입자 부분이 회전을 경험해야 함을 요구합니다. 이 결과는 한 경로에 유리하게 편향된 입력 상태로 관찰된 Aˆ의 약한 값과 일치한다는 점을 주목할 가치가 있습니다 [39]. 그림 5는 한 출력 포트에서 비국지화가 관찰될 때 다른 포트에서 초국지화가 관찰된다는 것을 보여줍니다. 이는 A2(±)가 H-편광된 광자의 확률에 비례한다는 아이디어와 일치합니다. 최종 빔 스플리터에서의 간섭 효과는 H-편광된 광자의 총 수를 변경할 수 없으므로, 모든 결과에 대한 A2의 통계적 평균은 최종 측정과 독립적이어야 하며, 경로 측정이든 간섭 측정이든 상관없습니다. 경로 측정에서 개별 값과 평균이 모두 1과 같으므로, 간섭 측정의 평균도 마찬가지로 1이어야 합니다. 따라서,
모든 위상 ϕ에 대해. 이 관계는 초국지화의 상한에 대해 흥미로운 결과를 가져옵니다. 0도에 가까운 경우, A2(+)는 0에 가깝지만 확률 P (−)도 0에 가깝습니다. 따라서, ϕ = 0일 때, A2(−) ≈ 1/P (−)입니다. 관찰 가능한 최대 초국지화는 간섭의 가시성에 따라 달라집니다.
그림 6 광자의 초국소화는 파괴적 간섭에 의해 출력 확률이 억제되는 출력 포트에서 관찰되었습니다. 그래프 (a)는 P(H|−)의 위상 의존성을 보여주며, ϕ가 90°보다 작을 때 파괴적 간섭이 관찰됩니다. 그래프 (b)는 P(H|+)의 위상 의존성을 보여주며, ϕ가 90°보다 클 때 파괴적 간섭이 관찰됩니다. 그래프의 오른쪽 축은 해당하는 A2(±) 값을 나타냅니다. 플립 확률 P(H|±)는 출력 확률 P(±)가 최소가 되는 지점에서 최대값에 도달합니다. P(H|−)는 ϕ = 0°에서 0.857 ± 0.005의 최대값을 달성하였고, P(H|+)는 ϕ = 180°에서 0.663 ± 0.002의 최대값을 달성하였습니다. 이러한 최대값들은 − 출력의 0.9629, + 출력의 0.9575의 가시성과 일치합니다. 두 최대값의 차이는 두 출력 포트에서 파괴적 간섭의 가시성에 약간의 차이가 있기 때문에 설명될 수 있습니다. A2(±)로 보면, 관찰된 최대 초국소화는 ϕ = 0°에서 A2(−) = 57.80 ± 0.34, ϕ = 180°에서 A2(+) = 41.78 ± 0.17로, 한 경로에서는 편광 회전이 약 네 배 향상되고, 다른 경로에서는 회전이 반전되면서 세 배 향상되는 것과 대략적으로 일치합니다.
그림 6은 초국지화를 나타내는 플립 확률 P(H|±) > 0.015 (A2(±) > 1)에 대한 실험 결과를 보여줍니다. 그림 6(a)에 나타난 바와 같이, P(H|−)는 ϕ = 0°에서 최대값 0.857 ± 0.005에 도달하며, 이는 A2(−) = 57.80±0.34에 해당합니다. 식(3)은 이 A2(−) 값을 P(−) = 0.0173의 확률과 연관시키며, 이는 가시성 0.965에 해당합니다. 따라서 플립 확률 P(H|−)로부터 결정된 A2(−)의 최대값은 ϕ = 0°에서 출력 확률 P(±)로부터 실험적으로 결정된 가시성 0.9629와 일치합니다. 그림 6(b)는 P(H|+)에 대한 결과를 보여주며, ϕ = 180°에서 최대값 0.663±0.002를 얻습니다. 이에 해당하는 A2(+) 값은 41.78 ± 0.17입니다. 역수 1/A2(+)로부터 추정된 출력 확률은 0.024이며, 이는 가시성 0.952에 해당합니다. 이 결과는 ϕ = 180°에서 출력 확률 P(±)로부터 실험적으로 결정된 가시성 0.9575와 일치합니다. 따라서 ϕ = 0°와 ϕ = 180°에서의 초국지화 최대값의 차이는 이러한 위상 변화에서 관찰된 가시성의 차이로 설명될 수 있습니다.
그림 6에 나타난 결과는 실험에서 관찰 가능한 최대 초국지화가 약 A2(±) = 50이며, 이는 약 0.96의 가시성과 연관되어 있음을 보여줍니다. 이는 절대값 Aˆ가 약 7인 값으로 변환되며, 한 경로에서의 편광 회전이 4배로 강화되고
다른 경로에서의 음의 회전이 3배로 강화됩니다. 이는 실험적으로 관찰 가능한 국지적 편광 회전의 효과가 약 50배로 강화되는 것을 설명하기 위해 필요한 경로 중 하나에서의 초국지화의 양입니다.
논의
우리의 결과는 간섭계의 출력에서 검출된 개별 광자가 간섭계를 통과하면서 물리적으로 비국지화되는 방식을 보여줍니다. 여기서 비국지화의 개념은 경로 내의 국지적 상호작용에 의해 제공된 경험적 증거로 설명됩니다. 모든 광자가 하나의 경로에만 국지화되어 있을 때 편광 플립 비율이 동일하도록 보장함으로써, 우리는 입자가 두 경로 사이에서 비국지화되는 것과 직접적으로 관련된 실험적으로 관찰 가능한 현상을 식별합니다. 그림 5에 나타난 바와 같이, 이 현상은 입자가 해당 경로에서 검출될 때마다 경로 중 하나에 국지화된다는 사실과 일치합니다. 그러나 입자가 간섭계의 출력 포트에서 검출될 때 상황은 달라집니다. 구성적 간섭에 의해 선호되는 출력 포트에서 검출된 대부분의 광자는 두 국지적 효과의 비례적 결합을 경험하며, 이는 간섭계 내에서 광자의 비국지화를 나타냅니다. 간섭 효과가 강할수록 각 광자가 경로 사이에 더 균등하게 분포됩니다. 이 효과는 두 빔의 강도가 같을 때 간섭이 가장 잘 작동한다는 기대와 일치합니다. 구성적 간섭에서 검출된 광자는 따라서 매우 고전적인 파 강도처럼 행동합니다. 그러나 출력 포트에서의 검출은 여전히 양자 역학의 통계적 해석에 의해 요구되는 입자와 같은 전부 아니면 전무의 사건입니다. 따라서 파괴적 간섭이 검출 확률을 줄이는 포트에서 검출된 광자의 훨씬 드문 경우도 고려해야 합니다. 모든 광자에 대한 평균 편광 플립 비율은 최종 측정에 의해 변경될 수 없기 때문에, 비국지화에 의한 플립 비율의 감소는 초국지화의 반대 효과에 의한 플립 비율의 증가와 관련되어야 합니다. 그림 6에 나타난 실험 결과는 이 현상을 확인합니다. 광자가 파괴적 간섭에서 검출될 때마다, 그것은 국지적 회전보다 훨씬 큰 편광 회전을 경험합니다. 이는 반대 회전의 효과가 합산되어 한 경로에서 음의 기여로 인한 부호 반전과 다른 경로에서의 기여 증가를 시사합니다. 고전적 파 전파의 관점에서, 이는 진폭의 부호를 변경한 진폭 변동으로 해석할 유혹이 있을 수 있습니다. 그러나 그러한 지나치게 고전적인 해석은 개별 입자의 검출과 조화될 수 없다는 점을 명심해야 합니다. 대신, 우리는 가능성이 낮은 출력 포트에서의 검출이 극단적인 변동이며 따라서 비국지화의 극단적인 변동과 상관될 수 있다는 관찰에 집중해야 합니다.
우리의 결과를 요약하자면, 우리는 간섭계 내의 개별 입자의 물리적 비국지화가 충분히 약한 상호작용을 사용하여 실험적으로 결정될 수 있음을 보여주었습니다. 결과는 입자가 최종 측정이 간섭 효과에 민감하지 않을 때만 국지화된다는 것을 보여줍니다. 이러한 발견은 양자 중첩에 대한 우리의 사고 방식에 심각한 영향을 미칩니다. 반대되는 경험적 증거가 없는 한, 측정이 수행되었는지 여부에 관계없이 양자 상태의 각 구성 요소가 측정의 결과를 나타낸다고 주장하는 것은 유혹적입니다. 따라서 우리의 결과가 이 반사실적 가정의 오류를 입증한다는 것을 인식하는 것이 중요합니다. 양자 역학의 형식주의에서 상태 벡터와 그 중첩의 역할은 모호합니다. 실제 실험만이 이러한 개념의 물리적 의미를 식별할 수 있습니다. 물리적 속성을 형식주의에서 그것을 나타내는 연산자의 고유 상태와 성급하게 동일시함으로써 오해가 발생했을 수 있습니다. 우리의 이전 연구가 보여주었듯이[38–40], 여기서 제시된 실험은 양자 역학의 표준 형식주의와 일치하며, 여기서 사용된 비국지화의 정의는 적절한 연산자 순서로 형식화될 수 있습니다(부록 C의 세부 사항). 현재 연구에서는 근본적인 개념의 순수한 수학적 정의가 임의적이고 실질적인 의미가 거의 없을 것처럼 보이기 때문에 실험적 실현을 강조했습니다. 양자 역학의 기존 접근 방식의 문제는 그 추상화가 우리가 자연을 탐구할 수 있는 다양한 가능성을 숨긴다는 것입니다. 현재 연구는 간섭계 내의 개별 입자의 경우에 대해 이 문제를 해결하여 모든 양자 현상에 대한 더 나은 실질적인 이해로 나아가는 길을 열었습니다.
(부록 A, B, C 생략. 별도 요청 시 제공)
🌐 논문 링크
링크: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adsc.202500103
👤 작성자
문지기 baibel
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