Quantum entanglement is an unique and special quantum correlation of system which follows the quantum mechanics. Unlike classical correlations, quantum entanglement is known to be nonlocal and the correlation between two entangled quantum states is known to be stronger than the classical correlation. Using this property, quantum entanglement has been used as a core technology in various technologies such as quantum key distribution, quantum teleportation, and quantum computing. In quantum infromation engineering field, researches to detect the quantum entanglement have been continuously conducted, and their importance has also emerged. This seemingly simple problem is NP-hard problem, many researchers have been published the way to confirm the existence of quantum entanglement, but the general technique is still unknown. Entanglement witness(EW) has a simple idea that a positive operaotr satisfying certain conditions for only separable states. Since this positive operator can be composed of a local Pauli measurement operator, it can be easily confirmed experimentally and also has the advantage of cheaper than state tomography. Compressed entanglement witness(CEW) can determine the quantum entanglement of many quantum states efficiently, based on the fact that an EW is always paired and does not require additional experimental setups. However, unlike EW, CEW has not been verified by actual experiments, so it is necessary to verify whether this method is sufficiently efficient in the actual experimental settings. In this paper, entangled photon pairs were created through spontaneous parametric down-conversion(SPDC) using nonlinear birefringent BBO crystals, and CEW verification experiements were performed in the quantum optical setup. Injection of a high power photon to nonlinear birefingent crystal generates entangled photon pairs satisfying the law of energy conservation and momentum conservation. We conducted this study using entangled photon pairs in the 1550nm wavelength based on the fact that infrared photons in the 1550nm wavelength are used in many optical experiments and techniques. Since it is very difficult to produce entangled photon pairs using nonlinear birefringent crystals, the entangled photon pairs were generated in free space, and CEW experiments were performed using optical fibers.
양자얽힘은 양자역학을 따르는 시스템에서 보이는 고유하고 특별한 양자적 상관관계를 의미한다. 고전적인 상관관계와는 달리 양자얽힘은 비국소성의 성질을 가지고 있으며 얽혀 있는 두 양자 상태 사이의 상관관계가 더 강하다는 것이 알려져있다. 이러한 성질을 이용하여 양자 암호 키분배, 양자 순간이동, 그리고 양자 컴퓨팅등 다양한 기술들에서 양자얽힘을 핵심 기술로서 이용되고 있다. 양자정보공학 분야에서는 실제 실험과 기술의 응용에서 준비한 양자상태의 양자얽힘 상태 여부를 확인하는 연구가 지속적으로 이루어졌으며, 그 중요성이 대두되어 왔다. 간단해 보이는 이 문제는 NP-hard 문제로, 많은 연구자들에 의해 양자얽힘의 존재여부 확인 기술들이 발표되어 왔지만 보편적인 기술은 여전히 알려지지 않은 상태이다. Entanglement witness(EW)는 분리가능한 상태에 대해서 특정한 조건을 만족하는 양성 연산자(Positive operator)에 대해서 해당 조건을 만족하지 못한 상태는 양자얽힘 상태라고 할 수 있다는 간단한 아이디어를 말한다. 이 양성 연산자는 국소적인 파울리 측정 연산자로 이루어져 있기 때문에 실험적으로도 쉽게 확인이 가능하며 상태 단층촬영(State tomography)에 비해 실험 비용이 적다는 장점도 있어 Positive partial transpose(PPT) 조건에 의한 방법이 적용 가능한 이체계 큐빗 시스템에서도 이득을 가져올 수 있다. Compressed entanglement witness(CEW)는 하나의 EW가 항상 쌍을 이루며 추가적인 실험 결과를 필요치 않다는 사실에 근거하여, 보다 효율적으로 많은 양자 상태의 양자얽힘 여부를 판별할 수 있다. 하지만 EW와는 달리 CEW는 실제 실험에서 검증이 되어 있지 않은 상태이므로 이 방법이 실제 실험 세팅에서도 충분히 효율적인지에 대한 검증이 필요하다. 본 논문에서는 비선형 복굴절 결정인 BBO 결정을 이용한 자발적 파라메트릭 하향(Spontaneous Parametric Down-Conversion; SPDC)을 통해 얽힌 광자 쌍을 만들어 양자 광학 실험 세팅에서 CEW 검증 실험을 진행하였다. 높은 파워의 광자 비선형 복굴절 결정에 입사하게 되면 에너지 보존 법칙과 모멘트 보존 법칙을 만족하며 광자쌍을 생성하게 되는데, 이를 통해 얽힌 광자쌍을 만들 수 있다. 우리는 1550nm 파장대역의 근적외선 광자가 많은 광학 실험 및 기술에 사용된다는 것에 근거하여 본 연구를 1550nm 파장대역의 얽힌 광자 쌍을 이용하여 실험을 수행하였다. 비선형 복굴절 결정을 이용하여 얽힌 광자 쌍을 만들어 내는 것이 매우 어려운 실험이기 때문에 얽힌 광자 쌍을 만들어내는 과정은 자유 공간(Free space)에서 진행하였으며, CEW 실험은 광섬유를 이용하여 진행하였다.
