로컬오실레이터에 의존하지 않는 양자압축 검출 방법

초록

이 논문은 알려진 레퍼런스 레이저 없이도 연속변수 광신호의 비고전성을 검증할 수 있는 새로운 비정형 검증 기준을 제시한다. 부분 정규 순서를 이용해 신호 모드만을 대상으로 비고전성 위협자를 만들고, 이를 균형 호모다인 검출에 적용해 로컬오실레이터(LO)의 양자 특성에 관계없이 신호의 압축(squeezing)을 정확히 판단한다. 손실·노이즈에 대한 강인성도 분석하였다.

상세 분석

본 연구는 두 모드(신호 A와 보조 LO B)를 고려한 일반적인 비고전성 정의에서 출발한다. 고전 상태는 신호 모드가 완전 코히어런트 상태 |α⟩이고 보조 모드가 임의의 순수 상태 |ψ⟩인 텐서곱의 확률분포 합으로 기술된다(식 1). 이 정의에 따르면 보조 모드의 양자성은 신호 A의 비고전성 판단에 영향을 주지 않는다. 저자들은 “부분 정규 순서”(partial normal ordering) 연산 A : · A : 를 도입해, 연산자 ˆf = Σ f_j Â_j ⊗ ˆB_j에 대해 A에 대해서만 정규 순서를 적용한다(식 2). 이렇게 만든 A : ˆf†ˆf A : 은 고전 상태에 대해 항상 비음(≥0)이며, 기대값이 음이면 신호 모드가 비고전적임을 보장한다(식 4‑5). 특히 ˆL = e^{iθ} â† b̂ + e^{-iθ} â b̂† 로 정의되는 균형 호모다인 차동 연산자를 선택하면, ˆL 자체가 이미 정규 순서 형태이므로 A : (ΔˆL)^2 A : 의 기대값을 직접 측정할 수 있다. 이는 기존의 전체 정규 순서 기준 ⟨:(ΔˆL)^2:⟩와 달리 LO의 비고전성에 의해 오진이 발생하지 않는다.

실험적 구현을 위해 저자들은 LO를 임의의 상태(코히어런트, 가우시안 스퀴즈, 비가우시안 등)로 두고, 신호와 LO를 50/50 비스플리터에 겹쳐 차동 광전류를 측정한다. 측정값 ⟨(ΔˆL)^2⟩와 진공 상태에서의 ⟨(ΔˆL)^2⟩_vac = ⟨b̂†b̂⟩ 를 이용해 잡음 억제 파라미터 N = 10 log10