Quantifying the Coherence between Coherent States

우리 학부의 Tan Kok Chuan 박사, Tyler Volkoff 박사(현 소속 건국대학교 물리학과), 권혁준 학생, 정현석 교수는 연속변수 상태의 양자 결맞음을 정량화할 수 있는 일반적인 방법을 제안하였고, 이를 통해 빛의 양자 비고전성에 대한 전통적 이해와 자원이론에 기반한 양자 결맞음에 대한 최근의 제안을 하나의 틀로 통합하였다.

빛의 결맞음에 관한 양자이론에 대한 공헌으로 2005년 노벨상을 수상한 Roy Glauber는 1960년대에 발표한 일련의 논문들을 통해 Glauber-Sudarshan P 함수에 기반한 양자 비고전성에 대한 개념을 발전시켰다. 이러한 전통적인 이해에 따르면 어떤 양자 상태가 P 함수가 음이 아닌 영역에서 정의되지 않을 경우에 비고전성을 가진 양자상태로 간주된다. 이는 고전적인 확률분포와의 유사성에서 이끌어낸 이해이지만 근본적으로 양자 비고전성이 무엇인가에 대한 엄밀한 이론적 기반에서 출발한 것은 아니라는 문제를 안고 있었다.

최근에는 양자정보 관점의 자원 이론(resource theory)에 근거한 양자결맞음 이론이 Martin Plenio 등에 의해 제안되어 학계의 많은 주목을 받았다. 이는 직교하는 기저상태들 사이의 비대각 행렬요소들을 자원 이론의 요구조건에 근거하여 정량화한 것으로서 보다 정교한 수학적 기초와 분석 도구들을 제공한다. 그러나 이러한 접근은 기저상태의 종류에 따라 매우 어려워지는 경우가 발생하며, 특히 일반적으로 직교하지 않는 고전적인 상태인 결맞음 상태들(coherent states)을 기저(basis)로 선택할 필요가 있는 빛의 상태에 적용하는 것은 매우 어려웠다.

연구진은 임의의 정확도로 직교하는 결맞음 상태들을 설정하고 이를 기저로 양자 결맞음을 일반적으로 정량화하는데 성공하였고, 이때의 양자 결맞음이 Glauber 등에 의해 확립된 빛의 비고전성과 본질적으로 동일하다는 것을 증명하였다. 이 연구는 빛의 비고전성에 대한 전통적인 이해에 보다 분명한 이론적 근거를 제시하는 동시에 P 함수에 기반한 빛의 비고전성과 자원이론에 기반한 양자상태의 결맞음이라는 독립적으로 발전되어 온 두 개념을 하나로 묶어내어 양자상태의 성질에 대한 통합적 이해를 제공하였다. 연구 결과는 11월 10일 Physical Review Letters에 게재되었으며 Editor’s suggestion으로 선정되었다.

참여연구인력: Kok Chuan Tan(서울대), Tyler Volkoff(건국대, 서울대), Hyukjoon Kwon(서울대), and Hyunseok Jeong(서울대)

Physical Review Letters 119, 190405

DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.190405

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.190405