[論文レビュー] Loophole-free quantum steering

Bernhard Wittmann, Sven Ramelow+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2011

Quantum Information and Cryptography被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、局所性、自由選択、公平採択のすべての局所的実験的漏れを同時に閉じた、偏光もつれ光子を用いたアインシュタイン＝ポドルスキー＝ローゼン（EPR）スティアリングの初の漏れのない実験的実証を提示している。高い検出効率と高速な乱数生成を用いて三設定の2次スティアリング不等式に違反することで、局所的実在論理論の主要なクラスを除外し、信頼できない光源からのもつれの安全な分配を可能にする。

ABSTRACT

Tests of the predictions of quantum mechanics for entangled systems have provided increasing evidence against local realistic theories. However, there still remains the crucial challenge of simultaneously closing all major loopholes - the locality, freedom-of-choice, and detection loopholes - in a single experiment. An important sub-class of local realistic theories can be tested with the concept of steering. The term steering was introduced by Schrodinger in 1935 for the fact that entanglement would seem to allow an experimenter to remotely steer the state of a distant system as in the Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) argument. Einstein called this spooky action at a distance. EPR-Steering has recently been rigorously formulated as a quantum information task opening it up to new experimental tests. Here, we present the first loophole-free demonstration of EPR-steering by violating three-setting quadratic steering inequality, tested with polarization entangled photons shared between two distant laboratories. Our experiment demonstrates this effect while simultaneously closing all loopholes: both the locality loophole and a specific form of the freedom-of-choice loophole are closed by having a large separation of the parties and using fast quantum random number generators, and the fair-sampling loophole is closed by having high overall detection efficiency. Thereby, we exclude - for the first time loophole-free - an important class of local realistic theories considered by EPR. As well as its foundational importance, loop-hole-free steering also allows the distribution of quantum entanglement secure from an untrusted party.

研究の動機と目的

• 量子スティアリングのテストにおいて、局所性、自由選択、公平採択のすべての主要な漏れを一度の実験で閉じること。
• 厳密な条件下でEPRスティアリングを量子情報タスクとして実験的に実証すること。
• アインシュタイン＝ポドルスキー＝ローゼンの Gedankenexperiment で提起されたように、隠れた変数によってもつれを説明できる局所的実在論理論を除外すること。
• 光源が信頼できない場合でも、量子もつれを安全に分配できるようにすること。
• 知られている漏れのない、量子非局所性の基礎的検証を提供すること。

提案手法

• 二つの遠く離れた実験室間で分配された偏光もつれ光子対を用いてEPRスティアリングをテストすること。
• 非局所的相関を検出するために三設定の2次スティアリング不等式を実装すること。
• 測定設定が予測不能であることを保証することで、自由選択の漏れを閉じるため、高速な量子乱数生成装置を用いること。
• 局所性の漏れを閉じるため、参加者間の大きな空間的隔たりを維持すること。
• 公平採択の漏れを閉じるため、高い全体的な検出効率を達成すること。
• 片方の参加者（スティアリングを受ける側）が信頼できないという前提で、スティアリングに適応したベル型テストフレームワークを用いること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EPRスティアリングは、一度の実験でいかなる漏れもなく実証可能か？
• RQ2 漏れのないスティアリングテストによって、局所的実在論理論はどの程度まで除外可能か？
• RQ3 高い検出効率とランダムな測定設定は、量子非局所性の安全で信頼性の高いテストを保証できるか？
• RQ4 漏れのないスティアリングは、信頼できない光源を用いた安全な量子通信を可能にするか？
• RQ5 すべての主要な実験的漏れを閉じた条件下で、EPRスティアリング効果は検証可能か？

主な発見

• 三設定の2次スティアリング不等式の漏れのない違反が達成され、知られている漏れのない状態でEPRスティアリングが確認された。
• 二つの遠く離れた実験室間の大きな隔たりを維持することで、局所性の漏れが閉じられた。
• 高速な量子乱数生成装置を用いて測定設定を選択することで、自由選択の漏れが閉じられた。
• 測定装置における高い全体的検出効率を達成することで、公平採択の漏れが閉じられた。
• アインシュタイン、ポドルスキー、ローゼンが提起した主要なクラスの局所的実在論理論が除外された。
• この実証により、光源が信頼できない場合でももつれの安全な分配が可能となり、量子暗号分野における新しい応用が可能になった。