[論文レビュー] Entanglement and Non-locality in a Micro-Macroscopic system

F. De Martini, Fabio Sciarrino+1 more|ArXiv.org|Apr 2, 2008

Quantum Information and Cryptography参考文献 46被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、量子注入光増幅（QI-OPA）を用いて生成された約35,000光子の巨視的重ね合わせ状態と、1光子（微視的系）のもつれを実験的に示した。この系はベルの不等式を破り、微視的・巨視的量子系における非局所性を確認し、スケールを越えた量子の非分離性の直接的証明を提供した。

ABSTRACT

In recent years two fundamental aspects of quantum mechanics have attracted a great deal of interest, namely the investigation on the irreducible nonlocal properties of Nature implied by quantum entanglement and the physical realization of the 'Schroedinger Cat'. In the present work a macro - state consisting of about 3.5 x 10^4 photons in a quantum superposition and entangled with a far apart single - photon state is generated. Then, the non-separability of the overall micro-macro system is demonstrated and the corresponding Bell's inequalities are found to be violated. Precisely, an entangled photon pair is created by a nonlinear optical process, then one photon of the pair is injected into an optical parametric amplifier operating for any input polarization state, i.e. into a phase-covariant cloning machine. Such transformation establishes a connection between the single photon and the multi particle fields. We then demonstrate the non-separability of the bipartite system by adopting a local filtering technique within a positive operator valued measurement.

研究の動機と目的

• 1光子（微視的）と約3.5×10⁴光子の巨視的重ね合わせ状態との間で量子もつれを実験的に実現すること。
• 一方の系が巨視的であるような系において、量子力学が予測する非局所的相関関係が成り立つかを検証し、古典的直観が示す量子・古典の境界を挑戦すること。
• 微視的・巨視的もつれ系においてベルの不等式が破られることを検証し、このような大規模な量子状態に対して局所的隠れ変数理論を除外すること。
• 増幅と測定を通じて、巨視的系においても量子的特徴がどの程度維持されるかを観察することで、量子的から古典的へと移行するプロセスを探索すること。
• QI-OPAを用いて生成された巨視的量子状態を応用した、スケーラブルな量子情報処理プラットフォームの実証。

提案手法

• 非線形結晶を用いた自己発光的パラメトリック下変換（SPDC）により、スレート状態 |Ψ⁻⟩ を生成した。
• ペアの1光子を高利得の光パラメトリック増幅器（OPA）に注入した。OPAは位相共変クローンマシンとして機能し、1光子状態をフォック状態の巨視的重ね合わせに変換した。
• 量子注入光増幅（QI-OPA）と呼ばれる増幅プロセスにより、N ≈ 3.5×10⁴光子の重ね合わせ状態を含む巨視的量子状態が生成された。
• 局所的フィルタリング技術を正の作用素値測定（POVM）フレームワーク内で用い、得られた微視的・巨視的もつれ状態の非分離性を確認した。
• ソレイユ＝バビュロンコン pensatorを用いて位相を制御することで、4つの測定基底 {π₊, π₋} および {πᴿ, πᴸ} を用いてベル型不等式を検証した。
• 5時間にわたり一致率と可視度を測定し、1データポイントあたり平均4000イベントを記録。入力位相に依存しない電子フィルタリングにより位相共変性を確保した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1光子の量子状態を、約3.5×10⁴光子の巨視的重ね合わせ状態と、非局所的相関関係を保ったままもつれさせることは可能か？
• RQ2 得られた微視的・巨視的もつれ状態はベルの不等式を破るのか。その結果、局所的隠れ変数モデルを除外できるか？
• RQ3 量子注入光増幅（QI-OPA）は、1光子入力からどのように巨視的重ね合わせ状態を生成可能にするのか？
• RQ4 量子的特徴（非局所性など）は、大きさが増大し古典的領域に近づくにつれて、どの程度維持されるのか？
• RQ5 本実験装置を発展させ、2つの巨視的重ね合わせ状態間のもつれを生成し、巨視的・巨視的非局所性を実現できるか？

主な発見

• 実験により、巨視的成分として約3.5×10⁴光子の重ね合わせ状態を持つ微視的・巨視的もつれ状態が成功裏に生成された。
• 測定された一致パターンの可視度は97%を示し、高精度な量子状態準備と保存が確認された。
• ベルの不等式はS = 2.48 ± 0.06の値で破られ、古典的限界（2）を上回り、微視的・巨視的系における非局所的相関関係が確認された。
• 電子フィルタリングシステムは位相共変性を示し、入力位相にかかわらず一定のフィルタリング確率P_filを維持した。これにより測定の公平性が保証された。
• 理論的光子数確率分布（図11）により、主に(2i+1, 2j+1)（i,j ≈ 0–10）のフォック状態に支配される対称的でもつれのある巨視的状態 |Φ⁺,⁻⟩ の性質が確認された。
• QI-OPAプロセスにより、1光子入力から巨視的量子状態が生成され、量子コherー二ンスが保持され、非局所性の検証が可能になった。