[論文レビュー] An experimental test of the non-classicality of quantum mechanics using an unmovable and indivisible system

Xi Kong, Mingjun Shi+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2012

Quantum Mechanics and Applications被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、室温下のダイヤモンド中の窒素空位（NV）センターを用いて、1つのスピン-1電子系において量子的文脈性を実験的に示した。移動不能で分割不能な固体系において、5つの巧みに選ばれた観測量を測定することで、従来の多粒子実験に見られる適合性の曖昧さ（compatibility loophole）を閉じ、量子力学が本質的に文脈的であり、非文脈的隠れ変数理論と両立しないことを確認した。

ABSTRACT

Quantum mechanics provides a statistical description about nature, and thus would be incomplete if its statistical predictions could not be accounted for by some realistic models with hidden variables. There are, however, two powerful theorems against the hidden-variable theories showing that certain quantum features cannot be reproduced based on two rationale premises of locality, Bell's theorem, and noncontextuality, due to Bell, Kochen and Specker (BKS). Noncontextuality is independent of nonlocality, and the contextuality manifests itself even in a single object. Here we report an experimental verification of quantum contextuality by a single spin-1 electron system at room temperature. Such a three-level system is indivisible and then we close the compatibility loophole which exists in the experiments performed on bipartite systems. Our results confirm the quantum contextuality to be the intrinsic property of single particles.

研究の動機と目的

• 単一で分割不能な粒子系を用いることで、量子的文脈性の実験的検証における適合性の曖昧さを閉じること。
• 固体状態の単一粒子系において、Kochen-Speckerの定理の決定的実験的検証を提供すること。
• エンタングルメントや相関測定に依存しないことにより、検出効率の曖昧さと適合性の曖昧さを回避すること。
• 文脈性がエンタングルメント系に特有の性質ではなく、単一粒子に対しても本質的であることを示すこと。
• 窒素空位センターを用いて、スピン-1系に対して正確で高精度の測定を実現すること。

提案手法

• 実験は、電子スピン状態を量子系として用いるダイヤモンド中の窒素空位（NV）センターを単一スピン-1系として用いる。
• 3次元ヒルベルト空間内に、$ \ell_i $ を順次適合するように選ばれた5つの観測量 $ L_i = |\ell_i\rangle\langle\ell_i| $ が定義される。
• 非文脈的性に関する不等式が構築される：$ \sum_{i=1}^5 \langle L_i \rangle - \sum_{i=1}^5 \langle L_i L_{i+1} \rangle \leq 2 $、これは量子力学において破られる。
• 一致検出や干渉を必要とせず、個々の期待値 $ \langle L_i \rangle $ および $ \langle L_i L_{i+1} \rangle $ が測定される。
• 理論的上限は、コーシー・シュワルツの不等式と平均重なり $ \epsilon = \overline{|\langle\ell_i|\ell_{i+1}\rangle|^2} = 0.0020 $ を用いて導出され、状態準備誤差に対して頑健であることが保証される。
• デコherenceおよびハイパーファイン相互作用は、ダイナミックデカップリング（Hahnエコー）、高Rabi周波数パルス、磁場安定化によって最小限に抑えられる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エンタングルメントや多粒子相関に依存せずに、1つで分割不能な粒子系において量子的文脈性を実験的に検証できるか？
• RQ2 現実のデコherenceおよび実験的不備のもとでも、非文脈的性不等式の破れは維持されるか？
• RQ3 二粒子系における粒子間相互作用に起因する適合性の曖昧さは、単一粒子実験で完全に閉じられるか？
• RQ4 デコherenceや状態準備誤差などの実験的不備が、非文脈的性の破れに与える影響はどの程度か？
• RQ5 観測された破れは、巨視的で移動不能な系であっても、文脈性が量子力学の本質的特徴であることを確認するのに十分に頑健か？

主な発見

• 非文脈的性不等式の左辺に下限として2.098が達成され、古典的限界の2を上回り、明確な量子的破れを確認した。
• 連続する測定方向間の平均重なりは $ \epsilon = 0.0020 $ であり、ほぼ直交しており、適合性の問題が最小限に抑えられている。
• コherenct時間 $ T_2 = (148 \pm 17)~\mu\text{s} $ が実験を制限するが、デコherenceに対しても観測された破れは頑健であった。
• 状態準備の忠実度における測定偏差は発光強度で0.02未満であり、高精度な状態準備と制御が達成されたことを示した。
• 一致計数や光の干渉を必要とせず、単一の射影測定に依存するのみで、非文脈的性の破れが実証された。
• 結果は、量子的文脈性が単一粒子の本質的性質であり、いかなる非文脈的隠れ変数モデルでも説明できないことを確認した。