[論文レビュー] Emergence of Classical Objectivity on a Quantum Darwinism Simulator

Ming-Cheng Chen, Han-Seng Zhong+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2018

Quantum Mechanics and Applications被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、6光子の量子シミュレータを用いて、量子デューリズムのメカニズムが量子系において古典的客観性がどのように生じるかを実験的に示した。量子系に環境光子を散乱させ、その冗長性を測定することで、量子相関の抑制と古典的情報の増幅を観測した。これにより、環境が量子系の状態に関する客観的で共有可能な知識を可能にする通信チャネルとして機能することが確認された。

ABSTRACT

Quantum-to-classical transition is a fundamental open question in physics frontier. Quantum decoherence theory points out that the inevitable interaction with environment is a sink carrying away quantum coherence, which is responsible for the suppression of quantum superposition in open quantum system. Recently, quantum Darwinism theory further extends the role of environment, serving as communication channel, to explain the classical objectivity emerging in quantum measurement process. Here, we used a six-photon quantum simulator to investigate classical and quantum information proliferation in quantum Darwinism process. In the simulation, many environmental photons are scattered from an observed quantum system and they are collected and used to infer the system's state. We observed redundancy of system's classical information and suppression of quantum correlation in the fragments of environmental photons. Our results experimentally show that the classical objectivity of quantum system can be established through quantum Darwinism mechanism.

研究の動機と目的

• 環境との相互作用を通じて、量子系において古典的客観性がどのように生じるかを調査すること。
• 環境光子を用いた古典的情報の増幅をシミュレートすることで、量子デューリズム理論を検証すること。
• 環境が量子系に関する古典的情報の通信チャネルとして機能することを実験的に証明すること。
• 環境の断片における量子相関の抑制が、デコherenceおよび客観的知識の兆候として観測されること。

提案手法

• 中心の量子系と複数の光子からなる環境とが相互作用する量子系をモデル化する6光子の量子シミュレータを構築した。
• 環境光子を中央の量子系に散乱させ、その測定に使用するため回収した。
• 環境断片に符号化された情報から、量子状態トモグラフィーを用いて系の状態を推定した。
• 環境断片間における古典的情報の冗長性を定量化し、客観性を評価した。
• 環境断片間の量子相関を測定し、量子コherenの抑制を評価した。
• 実験では、古典的情報が環境のエンタングルメントを通じて冗長かつ広く利用可能になると予測されたことの検証を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 環境の冗長性を通じて、量子相互作用から古典的客観性が生じ得るか？
• RQ2 環境は、系に関する古典的情報を増幅すると同時に、どのように量子相関を抑制するか？
• RQ3 量子系に関する古典的情報が、環境断片にどの程度冗長に符号化されているか？
• RQ4 量子デューリズムのメカニズムは、複数の観測者間で系の状態に関する客観的で共有可能な知識をもたらすか？
• RQ5 制御された光子系において、情報の冗長性と量子デコherenceの間の定量的関係は何か？

主な発見

• 環境は、複数の断片にわたって、量子系に関する古典的情報を冗長に伝達した。
• 環境光子間における古典的情報の冗長性が実験的に観測され、量子デューリズムの核心的予測を支持した。
• 環境断片間の量子相関が顕著に抑制され、量子コherenの喪失を示した。
• 環境状態の量子状態トモグラフィーにより、古典的情報の増幅が確認された。
• 結果として、環境が量子系の状態に関する客観的で共有可能な知識を可能にする通信チャネルとして機能することが示された。
• 本実験は、光子系において量子デューリズムを通じて古典的客観性がどのようにして生じるかを直接実験的に裏付けた証拠を提供した。