[論文レビュー] Observation of Nonlocality Sharing among Three Observers with One Entangled Pair via Optimal Weak Measurement

Mengjun Hu, Zhi‐Yuan Zhou+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2016

Quantum Mechanics and Applications参考文献 35被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、最適な弱測定を用いて、1組のもつれ光子から生じる非局所性が3人の観測者—アリス、ボブ1、ボブ2—の間で共有可能であることを実験的に示している。ボブ1が1つの光子に対して連続的かつ調整可能な弱測定を施すことで、アリスおよびボブ2とのもつれ状態を維持することができ、両方のペアでCHSH-Bell不等式の二重破れを実現した。最大の破れはF=0.6およびG=0.8のとき観測され、両ペアでS≈2.26を示した。

ABSTRACT

Bell nonlocality plays a fundamental role in quantum theory. Numerous tests of the Bell inequality have been reported since the ground-breaking discovery of the Bell theorem.Up to now, however, most discussions of the Bell scenario have focused on a single pair of entangled particles distributed to only two separated observers. Recently, it has been shown surprisingly that multiple observers can share the nonlocality present in a single particle from an entangled pair using the method of weak measurements [Phys. Rev. Lett. {\bf 114}, 250401 (2015)]. Here we report an observation of double CHSH-Bell inequality violations for a single pair of entangled photons with strength continuous-tunable optimal weak measurements in photonic system for the first time. Our results not only shed new light on the interplay between nonlocality and quantum measurements but may also be significant for important applications such as unbounded randomness certification and quantum steering.

研究の動機と目的

• 1組のもつれ光子ペアから生じる非局所性が、標準的な2者間ベル状況を超えて複数の観測者間で共有可能かどうかを調査すること。
• 後選択を伴わない弱測定を用いて、量子測定と非局所性配布の相互作用を解明すること。
• 可変な弱測定強度を用いた光子系において、二重CHSH-Bell不等式の破れを実験的に実現・認証すること。
• 制御可能な非局所性共有を通じた無限大のランダムネス認証と量子ステアリングの実現可能性を示すこと。

提案手法

• 高精度な偏光もつれ光子ペアを生成するため、タイプIIアンプライズドPPKTP結晶を用いたサジャックループ干渉計を用いた光子実験装置の構築。
• 測定の干渉度と情報取得量を制御するため、系とプローブの間の結合強度が調整可能な弱測定プロトコルを採用。その強度は品質因子Fと精度Gで定義される。
• 系の密度行列がρ = Fρ₀ + (1−F)(π↑ρ₀π↑ + π↓ρ₀π↓)と時間発展するフォン・ノイマン型測定モデルを採用。これにより部分的コherencyともつれが保持される。
• F² + G² = 1を満たす最適な弱測定を適用し、干渉を最小限に抑えながら非局所性共有を最大化する。
• アリスとボブ2による射影測定、ボブ1による弱測定を実施し、アリス–ボブ1およびアリス–ボブ2ペアの両方でCHSH不等式を検証。
• サジャック干渉計の相対位相をπに調整することで、高精度なスイングレット状態|φ⁻⟩ = (|HV⟩ − |VH⟩)/√2を生成。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 弱測定を用いて、1組のもつれ光子ペアから生じる非局所性が3人の観測者間で共有可能か？
• RQ2 二重CHSH-Bell不等式破れを可能にする弱測定パラメータ（F, G）の範囲は何か？
• RQ3 弱測定の強度が複数の観測者との量子相関の維持にどのように影響するか？
• RQ4 最適な弱測定（F² + G² = 1）は、非局所性共有を最大化するとともにもつれを維持できるか？
• RQ5 両観測者ペアにおけるCHSH不等式破れの定量的限界は何か？

主な発見

• アリス–ボブ1およびアリス–ボブ2ペアの両方で、実験的に二重CHSH-Bell不等式破れが観測され、3人の観測者間での非局所性共有が確認された。
• 最適な弱測定パラメータF=0.6およびG=0.8のとき、両ペアで最大のCHSH不等式破れS≈2.26が観測され、局所的実在論の境界値2を超えた。
• 二重破れを可能にするパラメータ空間の領域は、制約F² + G² ≤ 1によって制限されており、最適条件下ではF∈(√2−1, √2/2)の範囲でのみ二重破れが達成可能である。
• 偏光干渉の高 visibility（99.70±0.06% および 99.32±0.08%）により、生成されたもつれ状態|φ⁻⟩の高精度性が裏付けられた。
• 生の一致率は約19,000/6秒、単一カウントは約375,000および約275,000を記録し、信頼性の高いベルテスト統計が得られた。
• 理論的予測である「弱測定は干渉と情報取得のバランスを取ることで非局所性共有を可能にする」という仮説が実験的に裏付けられた。