[論文レビュー] Beyond the temporal Tsirelson bound: an experimental test of a Leggett-Garg inequality in a three-level system

Kunkun Wang, Clive Emary+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2017

Quantum Mechanics and Applications被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、3つの異なる測定結果を持つ光子系を用いた実験的設定により、3準位量子系に対するレギット＝ガルグ不等式を拡張し、従来の2結果測定と比較して、3時刻および4時刻の不等式に対する著しい大きな破れを達成した。3結果測定における量子ウィtness等式の最大可能な破れを報告し、空間的および時間的量子相関の根本的な相違を明らかにした。

ABSTRACT

Leggett-Garg inequalities are tests of macroscopic realism that can be violated by quantum mechanics. In this letter, we realise photonic Leggett-Garg tests on a three-level system and implement measurements that admit three distinct measurement outcomes, rather than the usual two. In this way we obtain violations of three- and four-time Leggett-Garg inequalities that are significantly in excess of those obtainable in standard Leggett-Garg tests. We also report violations the quantum-witness equality up to the maximum permitted for a three-outcome measurement. Our results highlight differences between spatial and temporal correlations in quantum mechanics.

研究の動機と目的

• 標準的な2準位系ではなく、3準位量子系を用いたレギット＝ガルグ不等式を用いたマクロな実在性の検証を目的とする。
• 高次元系が従来の2結果測定と比較して、より強いレギット＝ガルグ不等式の破れを可能にするかを調査することを目的とする。
• 3結果測定下での量子ウィtness等式をテストし、その最大達成可能な破れを特定することを目的とする。
• 量子力学における時間的相関と空間的相関を比較し、その本質的な相違を強調することを目的とする。

提案手法

• 実験は、制御された光学系における経路および偏光自由度を用いて実現された光子的3準位系を用いる。
• 3結果測定は、ビームスプリッタ、ウェーブプレート、および単一光子検出器を組み合わせて、3つの異なる量子状態を区別するように実装する。
• 同一系に対する逐次射影測定を用いて、3時刻および4時刻のレギット＝ガルグ不等式を構築し、測定する。
• 同じ3結果測定フレームワーク下で量子ウィtness等式を評価し、許容される最大量子破れをテストする。
• 複数の時間ステップにわたる時間的相関を分析し、マクロ実在性の破れの度合いを評価する。
• 理論的上限としての最大量子破れの境界を導出し、実験結果と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3つの異なる測定結果を持つ3準位系に対して、レギット＝ガルグ不等式を一般化できるか？
• RQ2 3結果測定は、2結果測定と比較して、顕著に大きなレギット＝ガルグ不等式の破れをもたらすか？
• RQ3 3結果測定の状況下で、量子ウィtness等式の最大達成可能な破れは何か？
• RQ4 3準位系における時間的相関は、量子力学における空間的相関とどのように異なるか？
• RQ5 3結果測定を用いた3準位系において、時間的ツァイレルソン境界を上回ることは可能か？

主な発見

• 本実験では、従来の2結果測定と比較して、3時刻および4時刻のレギット＝ガルグ不等式の破れが著しく大きく達成された。
• 量子ウィtness等式は、3結果測定の下で許容される最大値まで破れたことから、最大の量子的挙動が確認された。
• 結果は、時間的相関が2準位系で観測される境界を超えて、3準位系でより強い非古典的性質を示しうることを示した。
• 本研究では、量子力学における空間的相関と時間的相関の間には根本的な非対称性があることが明らかになった。特に、高次元系では時間的相関がより強い非古典的強度を示す。
• 観測された破れは量子理論と整合しており、逐次測定下における3準位系におけるマクロ実在性の失敗を確認した。