양자간섭 (quantum interference) 현상은 양자물리의 가장 핵심적인 특성으로서 양자물리의 기본 원리인 양자중첩 (superposition) 과 양자얽힘 (entanglement) 을 뒷받침한다. 양자간섭은 기본 입자인 광자, 전자에서부터 중성자, 고분자에 이르기까지 광범위한 영역에서 관측되어왔다. 뿐만 아니라, 양자간섭은 기본입자의 집합인 다수의 입자들 사이에서도 나타난다. 하지만 양자간섭은 외부 환경과의 상호작용에 의해 점차 약화되는데, 이를 결어긋남 현상이라 한다. 결어긋남 현상에 의해 양자간섭이 완전히 사라지게 되면 양자중첩과 ...
양자간섭 (quantum interference) 현상은 양자물리의 가장 핵심적인 특성으로서 양자물리의 기본 원리인 양자중첩 (superposition) 과 양자얽힘 (entanglement) 을 뒷받침한다. 양자간섭은 기본 입자인 광자, 전자에서부터 중성자, 고분자에 이르기까지 광범위한 영역에서 관측되어왔다. 뿐만 아니라, 양자간섭은 기본입자의 집합인 다수의 입자들 사이에서도 나타난다. 하지만 양자간섭은 외부 환경과의 상호작용에 의해 점차 약화되는데, 이를 결어긋남 현상이라 한다. 결어긋남 현상에 의해 양자간섭이 완전히 사라지게 되면 양자중첩과 양자얽힘 원리가 더 이상 적용되지 않기 때문에 양자물리적 현상이 사라지고 고전물리적인 현상만이 나타난다. 본 논문은 결어긋남 현상이 다광자 양자간섭에 어떠한 영향을 미치는지 논의하였다. 다른 한편으로는 양자간섭을 이용하여 다광자 양자얽힘 상태를 생성하는 방법에 대해서도 소개한다. 결어긋남 현상은 양자물리를 이용하는 양자시스템을 구현할 때 빈번하게 발생한다. 기존에는 결어긋남 현상이 단일 입자 양자시스템의 양자간섭에 어떤 영향을 미치는가에 대해 주로 연구되었고, 다수의 입자로 이루진 양자시스템에 미치는 영향에 대한 연구는 미흡하였다. 하지만 양자물리의 장점을 극대화하기 위해서는 단일 입자 양자시스템 이상, 즉 다입자 양자시스템이 사용되어야한다. 특히, 단일 입자 양자시스템보다 다입자 양자시스템에서 결어긋남 현상이 빈번히 나타나기 때문에 이에 관한 연구가 필수적이다. 본 논문의 전반부에서는 광자로 이루어진 다입자 양자시스템을 구현한 후 결어긋남 현상이 양자간섭에 어떤 영향을 미치는지 연구하였다. 그 결과 다입자 양자시스템은 단일 입자 양자시스템과는 다르게 결어긋남 현상에 의해 독특한 양상을 나타냄을 확인하였다. 단일 입자 양자시스템처럼 결어긋남 현상이 강해질수록 양자간섭이 단조롭게 사라지는 것이 아니라 다입자 양자시스템의 양자간섭은 비단조적으로 변화할 수 있음을 확인하였고, 더 나아가 양자간섭이 사라졌다가 다시 발생하는 현상도 발견하였다. 또한, 다광자 양자시스템의 양자간섭이 결어긋남 현상에 의해 유지되는 시간은 다광자를 측정하는 방법에 따라 변화하는 것을 확인하였다. 본 논문의 후반부에서는 양자간섭을 이용하여 다광자 양자얽힘 상태를 생성하는 방법 및 그 결과를 제시한다. 특히, 다광자 양자얽힘 상태는 기존에 알려진 길이 측정 정밀도의 한계를 뛰어넘을 수 있기 때문에 양자얽힘 상태는 양자기술을 구현을 위한 필수 요소로 사용된다. 본 연구에서는 광자 2개의 양자얽힘 상태를 실험적으로 제작하였으며, 양자얽힘 상태를 직접적으로 조작 및 측정하지 않으며 양자상태를 원격적으로 제어하는 방법을 제시한다. 또한, 단일 광자의 측정을 통하여 다광자 양자얽힘 상태를 제어하는 방법도 논의한다.
양자간섭 (quantum interference) 현상은 양자물리의 가장 핵심적인 특성으로서 양자물리의 기본 원리인 양자중첩 (superposition) 과 양자얽힘 (entanglement) 을 뒷받침한다. 양자간섭은 기본 입자인 광자, 전자에서부터 중성자, 고분자에 이르기까지 광범위한 영역에서 관측되어왔다. 뿐만 아니라, 양자간섭은 기본입자의 집합인 다수의 입자들 사이에서도 나타난다. 하지만 양자간섭은 외부 환경과의 상호작용에 의해 점차 약화되는데, 이를 결어긋남 현상이라 한다. 결어긋남 현상에 의해 양자간섭이 완전히 사라지게 되면 양자중첩과 양자얽힘 원리가 더 이상 적용되지 않기 때문에 양자물리적 현상이 사라지고 고전물리적인 현상만이 나타난다. 본 논문은 결어긋남 현상이 다광자 양자간섭에 어떠한 영향을 미치는지 논의하였다. 다른 한편으로는 양자간섭을 이용하여 다광자 양자얽힘 상태를 생성하는 방법에 대해서도 소개한다. 결어긋남 현상은 양자물리를 이용하는 양자시스템을 구현할 때 빈번하게 발생한다. 기존에는 결어긋남 현상이 단일 입자 양자시스템의 양자간섭에 어떤 영향을 미치는가에 대해 주로 연구되었고, 다수의 입자로 이루진 양자시스템에 미치는 영향에 대한 연구는 미흡하였다. 하지만 양자물리의 장점을 극대화하기 위해서는 단일 입자 양자시스템 이상, 즉 다입자 양자시스템이 사용되어야한다. 특히, 단일 입자 양자시스템보다 다입자 양자시스템에서 결어긋남 현상이 빈번히 나타나기 때문에 이에 관한 연구가 필수적이다. 본 논문의 전반부에서는 광자로 이루어진 다입자 양자시스템을 구현한 후 결어긋남 현상이 양자간섭에 어떤 영향을 미치는지 연구하였다. 그 결과 다입자 양자시스템은 단일 입자 양자시스템과는 다르게 결어긋남 현상에 의해 독특한 양상을 나타냄을 확인하였다. 단일 입자 양자시스템처럼 결어긋남 현상이 강해질수록 양자간섭이 단조롭게 사라지는 것이 아니라 다입자 양자시스템의 양자간섭은 비단조적으로 변화할 수 있음을 확인하였고, 더 나아가 양자간섭이 사라졌다가 다시 발생하는 현상도 발견하였다. 또한, 다광자 양자시스템의 양자간섭이 결어긋남 현상에 의해 유지되는 시간은 다광자를 측정하는 방법에 따라 변화하는 것을 확인하였다. 본 논문의 후반부에서는 양자간섭을 이용하여 다광자 양자얽힘 상태를 생성하는 방법 및 그 결과를 제시한다. 특히, 다광자 양자얽힘 상태는 기존에 알려진 길이 측정 정밀도의 한계를 뛰어넘을 수 있기 때문에 양자얽힘 상태는 양자기술을 구현을 위한 필수 요소로 사용된다. 본 연구에서는 광자 2개의 양자얽힘 상태를 실험적으로 제작하였으며, 양자얽힘 상태를 직접적으로 조작 및 측정하지 않으며 양자상태를 원격적으로 제어하는 방법을 제시한다. 또한, 단일 광자의 측정을 통하여 다광자 양자얽힘 상태를 제어하는 방법도 논의한다.
Quantum interference is at the heart of quantum physics, which underpins the fundamental but counterintuitive concepts of quantum physics: quantum superposition and quantum entanglement. The quantum interference is apparent not only in single-particle systems but also in multi-particle systems, evid...
Quantum interference is at the heart of quantum physics, which underpins the fundamental but counterintuitive concepts of quantum physics: quantum superposition and quantum entanglement. The quantum interference is apparent not only in single-particle systems but also in multi-particle systems, evidenced by numerous observations. On the other hand, as the quantum interference becomes washed out, quantum superposition and quantum entanglement do not hold any more. This process is called decoherence, and it enables to study a transition from quantum physics to classical physics. In this thesis, I present the effects of the decoherence on multi-particle interference. In addition to that, I present generation of multi-photon entangled states based on multi-photon interference. First part of this thesis presents effects of decoherence on multi-photon interference. After introduction of a way to generate and manipulate multiple photons, I will present interference of multiple photons and degrade of their interference by decoherence. The quantum-to-classical transition in the multi-photon interference is found to exhibit qualitatively different behaviors compared with the quantum-to-classical transition in a single-particle interference. Additionally, as an operational aspect of the multi-photon interference affected by the decoherence, multi-photon coherence times — a time scale that multi-photon interference is maintained in the decoherence — are measured, and their properties are reported. The second part of this thesis presents generations of multi-photon entangled states based on multi-photon interference. Multi-photon entangled states can enhance measurement precisions by beating the standard quantum limit. For example, a photon-number entangled state, |N,0>+ |0,N> for N number photons at mode a or b, can enhance the sensitivity of measurement of the path difference between the two modes (a and b) in an interferometer. In this thesis, generation of the photon-number entangled state having two photons is demonstrated, and the generated state is heralded and controlled from a remote place. In addition to the two-photon entangled state, this thesis demonstrates a way that a single photon can remotely prepare a three-photon entangled state.
Quantum interference is at the heart of quantum physics, which underpins the fundamental but counterintuitive concepts of quantum physics: quantum superposition and quantum entanglement. The quantum interference is apparent not only in single-particle systems but also in multi-particle systems, evidenced by numerous observations. On the other hand, as the quantum interference becomes washed out, quantum superposition and quantum entanglement do not hold any more. This process is called decoherence, and it enables to study a transition from quantum physics to classical physics. In this thesis, I present the effects of the decoherence on multi-particle interference. In addition to that, I present generation of multi-photon entangled states based on multi-photon interference. First part of this thesis presents effects of decoherence on multi-photon interference. After introduction of a way to generate and manipulate multiple photons, I will present interference of multiple photons and degrade of their interference by decoherence. The quantum-to-classical transition in the multi-photon interference is found to exhibit qualitatively different behaviors compared with the quantum-to-classical transition in a single-particle interference. Additionally, as an operational aspect of the multi-photon interference affected by the decoherence, multi-photon coherence times — a time scale that multi-photon interference is maintained in the decoherence — are measured, and their properties are reported. The second part of this thesis presents generations of multi-photon entangled states based on multi-photon interference. Multi-photon entangled states can enhance measurement precisions by beating the standard quantum limit. For example, a photon-number entangled state, |N,0>+ |0,N> for N number photons at mode a or b, can enhance the sensitivity of measurement of the path difference between the two modes (a and b) in an interferometer. In this thesis, generation of the photon-number entangled state having two photons is demonstrated, and the generated state is heralded and controlled from a remote place. In addition to the two-photon entangled state, this thesis demonstrates a way that a single photon can remotely prepare a three-photon entangled state.
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