[Jul. 29, 2014] 김윤호 교수 연구실 – Experimental demonstration of delayed-choice decoherence suppression

[Jul. 29, 2014] 김윤호 교수 연구실 – Experimental demonstration of delayed-choice decoherence suppression

Nature Communications doi:10.1038/ncomms5522 (2014)

양자 물리학에 따르면 양자 시스템은 측정장비와 측정하는 방식에 따라 입자 또는 파동 중 하나의 모습으로 행동하며, 두 모습은 동시에 관측되지 않는다. 이를 파동-입자 상보성 원리 (Wave-particle complementarity)라고 부른다. 윌러 (J. Wheeler)의 지연 선택 실험은 이러한 양자의 이중성을 양자가 간섭계에 들어온 이후에 지연해서 선택한다. 이러한 지연 선택 실험을 통해 간섭계 내부에서 양자의 행동이 연구되어 왔다. 본 연구에서, 우리는 양자 얽힘 큐빗에 대한 결어긋남 억제 결정이 결어긋남 이후, 혹은 큐빗이 측정된 이후로 지연될 수 있는 지연 선택 결어긋남 억제 프로토콜을 제시하고, 실험적으로 구현하였다.
기존에 동 연구진에 의해서 구현된 결어긋남 억제 연구 [Nature Physics, 8, 117 (2012)]는, 약한 양자 측정(weak quantum measurement)과 양자측정의 되돌림(quantum measurement reversal)을 이용해 결어긋남 현상을 효과적으로 억제하여 양자 얽힘을 보호하였다. 이러한 기존의 연구에서는 결어긋남 억제를 위해 결어긋남 이전에 양자 측정이 필요했었다. 본 연구에서는 결어긋남 억제 작용을 결어긋남이 일어난 이후, 혹은 양자 시스템이 측정된 이후에 지연 선택할 수 있음을 밝혀내었다. 본 연구의 방법을 이용하면 결어긋남이 일어난 이후에 결어긋남을 완전하게 억제할 수 있기 때문에 결어긋남에 대한 정보가 없는 경우에도 추후에 결어긋남을 억제할 수 있는 새로운 길이 열렸다.

 Wheeler’s delayed-choice experiment illustrates vividly that the observer plays a central role in quantum physics by demonstrating that complementarity or wave–particle duality can be enforced even after the photon has already entered the interferometer. The delayed-choice quantum eraser experiment further demonstrates that complementarity can be enforced even after detection of a quantum system, elucidating the foundational nature of complementarity in quantum physics. However, the applicability of the delayed-choice method for practical quantum information protocols continues to be an open question. Here, we introduce and experimentally demonstrate the delayed-choice decoherence suppression protocol, in which the decision to suppress decoherence on an entangled two-qubit state is delayed until after the decoherence and even after the detection of a qubit. Our result suggests a new way to tackle Markovian decoherence in a delayed manner, applicable for practical entanglement distribution over a dissipative channel.