Scheme for Proving the Bosonic Commutation Relation Using Single-Photon Interference

고전 물리학과 달리 양자역학에서는 관측 가능한 물리량들에 대응되는 연산자들 사이에 0이 아닌 교환 관계가 존재한다. 이러한 교환 관계들은 고전 물리학으로 설명할 수 없는 다양한 양자 현상들의 근본적 원인이라고 할 수 있으며 위치 연산자와 운동량 연산자의 교환 관계가 그 대표적인 예이다. 생성 연산자와 소멸 연산자 사이의 교환 관계는 위치 연산자와 운동량 연산자 사이의 교환 관계와 직접적으로 연계되어 있으며 양자 이론에 있어서 매우 중요한 역할을 하는 근본적인 관계이다.

이 논문에서 저자들은 단일 광자를 더하는 방법과 빼는 방법을 이용하여 생성 연산자와 소멸 연산자 사이의 교환 관계를 직접적으로 증명할 수 있는 새로운 실험을 제안하였다. 제안된 단일 광자 간섭계는 [단일 광자 더하기]와 [단일 광자 빼기]의 서로 다른 순차적 작용들이 양자적으로 중첩되도록 고안되었다. 즉 간섭계에 입력되는 임의의 광학적 상태에 단일 광자를 더한 후에 빼는 작용과 단일 광자를 뺀 후에 더하는 작용이 결맞게 중첩되어 출력되는 상태를 입력된 상태와 비교함으로써 자연스럽게 생성 연산자와 소멸 연산자 사이의 교환 관계를 증명할 수 있게 한다. 이는 양자 이론의 기본 원리를 규명할 뿐 아니라 양자 연산자들의 중첩을 구현하고 제어할 수 있는 제안으로도 매우 의미 있는 결과라고 할 수 있을 것이다.

그림: 결맞음 상태 입력에 대한 출력 상태의 위그너 함수

저자: M. S. Kim (Queen' s University, Belfast), H. Jeong (SNU), A. Zavatta, V. Parigi, and M. Bellini (Florence)

Phys. Rev. Lett. 101, 260401 (2008)