[論文レビュー] Wave-particle duality revisited: Neither wave nor particle

Jan Sperling, Syamsundar De+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2019

Quantum Information and Cryptography参考文献 34被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、波動モデルおよび粒子モデルの両方が、単一の実験で量子光学的相関を完全に説明できないことを示している。簡素な干渉計（ビームスプリッターと光子検出器を用いる）を用い、波動的および粒子的挙動の相関に基づく基準を導出し、実験的にスリッピング光とコherent状態が両モデルを同時に破ることを示した。これにより、量子系が古典的波動・粒子二重性を越えており、両図像において非古典的性質を示していることが明らかになった。

ABSTRACT

A textbook interpretation of quantum physics is that quantum objects can be described in a particle or a wave picture, depending on the operations and measurements performed. Beyond this widely held believe, we demonstrate in this contribution that neither the wave nor the particle description is sufficient to predict the outcomes of quantum-optical experiments. To show this, we derive correlation-based criteria that have to be satisfied when either particles or waves are fed into our interferometer. Using squeezed light, it is then confirmed that measured correlations are incompatible with either picture. Thus, within one single experiment, it is proven that neither a wave nor a particle model explains the observed phenomena. Moreover, we formulate a relation of wave and particle representations to two incompatible notions of quantum coherence, a recently discovered resource for quantum information processing.For such an information-theoretic interpretation of our method, we certify the nonclassicality of coherent states - the quantum counterpart to classical waves - in the particle picture, complementing the known fact that photon states are nonclassical in the typically applied wave picture.

研究の動機と目的

• 量子系が文脈に応じて波動または粒子として記述可能であるという広く信じられている考えに挑戦すること。
• 波動および粒子モデルが量子光学的相関を予測できない実験的条件を特定すること。
• 事後選別や補正を必要とせず、データ駆動型の基準を確立して波動および粒子記述の妥当性を検証すること。
• コherent状態が粒子図像において非古典的であることを示し、既知の波動図像における非古典的性質を補完すること。
• 波動粒子二重性と、量子情報のリソースとしての二つの不一致な量子コherー二ンスの概念を結びつけること。

提案手法

• 50:50ビームスプリッター（波動的基盤）と光子検出器（粒子的基盤）を用いた簡素な干渉計を設計し、各部品が古典的に解釈可能であることを保証する。
• 測定された検出統計から共分散行列 C を定義し、全分散および共分散の統計法則を用いて、条件付き分散（B）および条件付き平均共分散（C'）に分解する。
• C - B の最小固有値 e に基づく基準を導出し、任意の古典的モデルでは e ≥ 0 が成立する必要がある。e < 0 であれば、波動および粒子記述の両方が失敗していることを示す。
• この基準をコherent状態およびスリッピング状態の実験データに適用し、それぞれ波動モデルおよび粒子モデルの e_wave および e_part. を評価する。
• 統計的誤差範囲を用いて有意性を評価し、複数の光子数において e_part. < 0 であることを確認する。
• 多変量および高次条件付き積率を用いて、損失や不確実性に対してロバストであるように、高次およびマルチモード系へとこの手法を拡張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一の実験で、波動および粒子モデルの両方が量子光学的相関を説明できないことを示せるか？
• RQ2 コherent状態は、古典的波動の量子アナログであるにもかかわらず、粒子図像で評価した場合に非古典的であるとされるか？
• RQ3 波動粒子二重性を、二つの不一致な量子コherー二ンスの概念と結びつけることで、量子情報のリソースとして再解釈できるか？
• RQ4 提案された基準は、事後選別やデータ補正なしに、実験的ノイズ、損失、系統的誤差に対してロバストか？
• RQ5 この手法は、高次およびマルチモード量子系へ一般化可能か？

主な発見

• 平均光子数が 0.395×10⁻² から 4.482×10⁻² のコherent状態では、e_part. < 0 であり、誤差範囲内にあり、粒子モデルが統計的に有意に失敗している。
• 波動モデルは、すべてのテストされたコherent状態で e_wave = 0 であり、誤差範囲内にあり、古典的波動的挙動を確認している。
• スリッピング状態は、e_part. < 0 および e_wave < 0 であるため、波動および粒子モデルの両方を同時に破っており、観測された相関を説明できる古典的図像がないことが証明された。
• すべてのテストされた振幅において、コherent状態の粒子図像における非古典的性質は、p値が 0.01 未満で認定されており、強い統計的有意性を示している。
• 詳細な不確実性推定と、データ補正や事後選別なしに、損失および系統的誤差に対してロバストであることが示された。
• 多変量および高次条件付き積率を用いることで、このフレームワークは高次およびマルチモード系へ自然に拡張可能であり、量子情報科学における広範な応用が可能である。