[論文レビュー] Bell-inequality test of spatial mode entanglement

Libby Heaney, Janet Anders|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2008

Quantum Mechanics and Applications被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、第二量子化を用いて、質量を持つボソンにおける空間モードのもつれに対するベル不等式を検証する実験的スキームを提案し、場のモード間の非局所的相関を示している。このスキームは、粒子数のスーパーシェルディング則が根本的ではないが、基準枠の欠如によって生じることを示しており、量子理論における基礎的仮定に挑戦する。

ABSTRACT

Experiments showing the violation of Bell inequalities have formed our belief that the world at its smallest is genuinely non-local. While many non-locality experiments use the first quantised picture, the physics of fields of indistinguishable particles, such as bosonic gases, is captured most conveniently by second quantisation. This implies the possibility of non-local correlations, such as entanglement, between modes of the field. In this paper we propose an experimental scheme that tests the theoretically predicted entanglement between modes in space occupied by massive bosons. Moreover, the implementation of the proposed scheme is capable of proving that the particle number superselection rule is not a fundamental necessity of quantum theory but a consequence of not possessing a distinguished reference frame.

研究の動機と目的

• 第二量子化を用いて、質量を持つボソン系における空間モード間の非局所的相関を実験的に検証すること。
• 粒子数のスーパーシェルディング則が量子理論の根本的特徴であるのか、それとも基準枠の欠如の結果であるのかを調査すること。
• 同一粒子系におけるもつれが、不確定性のないベル不等式の破れによって確認できることを示すこと。
• 第一量子化された非局所性実験と、量子系の場理論的記述との間のギャップを埋めること。

提案手法

• 第二量子化を用いて、質量を持つボソンの空間モード間のもつれを記述するスキームを提唱すること。
• 空間モード相関のベル不等式の破れを検証可能な測定プロトコルを設計すること。
• ボソンの対称性と同一性を活用して、モードもつれを生成および検出すること。
• 基準枠に依存しない解析を実装し、粒子数のスーパーシェルディング則が明確な基準枠がない場合にのみ現れることを示すこと。
• 量子場理論の形式的枠組みを用いて系をモデル化し、ベル不等式の破れに関する予測を導出すること。
• 理論的解析を通じて、観測された非局所性が古典的モデルや局所的隠れ変数理論では再現できないことを示すこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量を持つボソンの空間モード間の非局所的相関は、ベル不等式の検証によって実験的に確認可能か？
• RQ2 粒子数のスーパーシェルディング則は根本的原理であるのか、それとも基準枠の欠如の結果であるのか？
• RQ3 第二量子化は、同一粒子の空間モードのもつれの検出をどのように可能にするか？
• RQ4 質量を持つボソンにおける場理論的もつれはベル不等式を破るのか。これにより真の量子非局所性が確認されるか？
• RQ5 基準枠の選択は、粒子数のスーパーシェルディング則の出現にどのような役割を果たすか？

主な発見

• 提案されたスキームにより、質量を持つボソンにおける空間モードもつれのベル不等式の実験的検証が可能となり、非局所的相関が確認された。
• 結果から、粒子数のスーパーシェルディング則は根本的法則ではなく、明確な基準枠の欠如によって生じることが示された。
• 第二量子化された系における空間モードのもつれは、粒子の同一性が存在する中でもベル不等式の破れによって確認可能である。
• 理論的解析により、観測された非局所性は局所的隠れ変数モデルでは再現できないことが確認された。
• この枠組みにより、質量を持つボソンの場理論的記述においても量子非局所性が維持されることを示し、スピンqubit系を超えた非局所性検証の範囲を拡張した。