[論文レビュー] Hidden nonmacrorealism: reviving the Leggett-Garg inequality with stochastic operations

Huan-Yu Ku, Hao‐Cheng Weng+6 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 84被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、初期段階ではルージュ・ガルグ不等式（LGI）を破るとは限らないが、確率的前処理および後処理（SPPOs）を施すと破る可能性がある、『隠れた非マクロ実在的チャネル』—すなわち量子チャネルを導入する。主な貢献は、従来はマクロ実在的とみなされていたチャネルにおいて、SPPOsによって非マクロ実在的ダイナミクスを明らかにできることを示したことである。実験的には、振幅減衰チャネルにおける光子キュービットを用いた検証が行われた。

ABSTRACT

The Leggett-Garg inequality (LGI) distinguishes nonmacrorealistic channels from macrorealistic ones by constraining the experimental outcomes of the underlying system. In this work, we propose a class of channels which, initially, cannot violate the LGI (in the form of the temporal Bell inequality) but can violate it after the application of stochastic pre- and post- operations (SPPOs). As a proof-of-principle experiment, we demonstrate the stochastic pre- and post- operations in an amplitude-damping channel with photonic qubits. We denote the above phenomenon as hidden nonmacrorealistic channels. We also discuss the relationship between this hidden nonmacrorealistic channels (in terms of the temporal Clauser-Horne-Shimony-Holt (CHSH) inequality) and the strongly nonlocality-breaking channel, which breaks the hidden spatial CHSH nonlocality for arbitrary states. In general, if the channel satisfies hidden nonmacrorealism, it is not a strongly CHSH nonlocality-breaking channel.

研究の動機と目的

• 初期段階ではマクロ実在的だが、確率的操作を受けることで非マクロ実在的になる量子チャネルを同定すること。
• 確率的前処理および後処理（SPPOs）を用いたプロトコルの開発および実験的検証により、非マクロ実在性を活性化すること。
• 隠れた非マクロ実在性と強くCHSH非局所性破壊チャネルとの関係を明確にすること。
• LGIを用いて量子ネットワークにおける量子性を認証できるようにすること。

提案手法

• 初期段階ではマクロ実在性を満たすが、SPPOsを施すと時間的CHSH不等式を破るような量子チャネルのクラスを提案する。
• 確率的前処理および後処理（SPPOs）を適用し、チャネルダイナミクスを変換することで、隠れた非マクロ実在性を明らかにする。
• 光子キュービットを用いて、振幅減衰チャネルにおけるSPPOプロトコルの実装を、概念実証として行う。
• 非マクロ実在性のテストとして、時間的クラウザー＝ホーン＝シモンズ＝ホルト（CHSH）不等式を用いる。
• チャネルが隠れた非マクロ実在性を示すが、強くCHSH非局所性破壊的でない条件を理論的に導出する。
• 時間相関の測定を通じた実験的実装と理論の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期段階でLGIを破らない量子チャネルが、SPPOsによってLGI違反を活性化できるか？
• RQ2 隠れた非マクロ実在性と『強くCHSH非局所性破壊的』であるという性質との関係は何か？
• RQ3 SPPOsは量子チャネルの非マクロ実在的性質をどのように変換するか？
• RQ4 隠れた非マクロ実在性は、光子系で実験的に観測可能か？
• RQ5 隠れた非マクロ実在性の存在は、チャネルが強く非局所性破壊的でないことを示唆するか？

主な発見

• 初期段階ではLGIを破らない振幅減衰チャネルが、SPPOsを適用した後、LGIを破ることを確認し、隠れた非マクロ実在性の存在を裏付けた。
• 時間的CHSH不等式の実験的破壊値は2.42 ± 0.04に達し、古典的限界の2を超えた。
• 本研究により、隠れた非マクロ実在性を示すチャネルは強くCHSH非局所性破壊的ではありえないことが示され、両者の性質には根本的な違いがあることが明らかになった。
• SPPOsは、通常の測定ではマクロ実在的に見えるチャネルにおいても、非マクロ実在的ダイナミクスを効果的に明らかにできる。
• 時間相関における量子性が確率的操作によって活性化できることを示し、新たな認証プロトコルの実現が可能になった。
• 本研究の結果は、LGIを用いた量子ネットワークにおける量子性認証の有効性を支持しており、単純な観察では古典的に見えるチャネルに対しても適用可能である。