[김윤호 교수 연구실] 냉각 원자를 통한 EPR 얽힘 구현 Einstein-Podolsky-Rosen Entanglement of Narrow-Band Photons from Cold Atoms

냉각 원자를 통한 EPR 얽힘 구현

물리학과 김윤호 교수 연구팀의 이종찬 박사는 루비듐 냉각 기체 기반에서 EPR 얽힘을 가지는 광자쌍을 구현하는데 성공했다. 이 연구는 물리학 분야에서 대표적인 저명 학술지 Physical Review Letter (2016. 12)에 게재됐다. 본 결과는 앞으로 단일 광자를 이용한 고차원 양자정보처리 연구의 기반이 될 것이다.
EPR 얽힘은 두 입자의 위치와 운동량이 양자적 상호관계를 가지는 현상으로, 1935년에 아인슈타인과 포돌스키, 로젠에 의해 처음 제안되었다. EPR 얽힘은 양자역학의 근본적인 부분을 이해하는데 중요한역할을 할 뿐 아니라 양자 이미징이나 양자 측정 등에서 핵심적인 역할을 수행한다.
EPR얽힘을 구현한 기존의 연구들은 비선형 크리스탈을 통해 EPR 얽힘을 구현하였지만, 이러한 방법은 광자가 넓은 선폭(~THz)을 가지게 되어 양자 이미지의 저장이나 고차원 양자정보처리에 응용하기에는 힘들었다. 그러나 냉각 원자를 이용한 이번 연구는 광자의 선폭을 MHz 수준으로 좁히는 것에 성공하여 해당 분야에 직접적으로 적용할 수 있는 가능성을 제시하였다.

Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) entanglement introduced in 1935 deals with two particles that are entangled in their positions and momenta. Here, we report the first experimental demonstration of EPR position-momentum entanglement of narrow-band photon pairs generated from cold atoms. By using two-photon quantum ghost imaging and ghost interference, we demonstrate explicitly that the narrow-band photon pairs violate the separability criterion, confirming EPR entanglement. We further demonstrate continuous variable EPR steering for positions and momenta of the two photons. Our new source of EPR-entangled narrow-band photons is expected to play an essential role in spatially multiplexed quantum information processing, such as, storage of quantum correlated images, quantum interface involving hyperentangled photons, etc.