[논문 리뷰] Einstein-Podolsky-Rosen experiment with two Bose-Einstein condensates

Paolo Colciaghi, Yifan Li외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 09.

Quantum Mechanics and Applications인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 각각 약 700개의 리비듐 원자를 포함하는 두 개의 공간적으로 분리된 보즈-아인슈타인 통합체(Bose-Einstein condensates)에서, 스핀이 압축된 상태를 준비하고 이를 두 개의 얽힌 통합체로 분할함으로써 아인슈타인-포돌스키-로젠(Einstein-Podolsky-Rosen, EPR) Paradox를 실험적으로 구현한다. 실험은 헤이젠베르크 불확정성 한계 이하의 추론 불확실성을 확인함으로써 EPR 얽힘을 확인하였으며, 이는 양자 비국소성이 1,000개 이상의 입자를 포함하는 거대한 다체계에서도 유지됨을 증명한다.

ABSTRACT

In 1935, Einstein, Podolsky and Rosen (EPR) conceived a Gedankenexperiment which became a cornerstone of quantum technology and still challenges our understanding of reality and locality today. While the experiment has been realized with small quantum systems, a demonstration of the EPR paradox with spatially separated, massive many-particle systems has so far remained elusive. We observe the EPR paradox in an experiment with two spatially separated Bose-Einstein condensates containing about 700 Rubidium atoms each. EPR entanglement in conjunction with individual manipulation of the two condensates on the quantum level, as demonstrated here, constitutes an important resource for quantum metrology and information processing with many-particle systems. Our results show that the conflict between quantum mechanics and local realism does not disappear as the system size is increased to over a thousand massive particles.

연구 동기 및 목표

• 양자 비국소성의 상징인 EPR 파라독스가 거대하고 질량이 큰 다체계에서 지속되는지 테스트하는 것.
• 소실과 기술적 노이즈를 극복하여 두 개의 공간적으로 분리된 질량이 큰 원자 군집 사이의 EPR 얽힘을 구현하는 것.
• 지역 실재성의 위반을 일으킬 수 있는 강력한 양자 상관관계가 1,000개 이상의 질량이 큰 입자로 이루어진 시스템에서 달성될 수 있는지 확인하는 것.
• 얽힌 BEC를 이용한 양자 미세측정 및 정보 처리를 위한 플랫폼을 구축하는 것.

제안 방법

• 다중입자 얽힘을 생성하기 위해 스핀이 압축된 상태로 단일 보즈-아인슈타인 통합체를 준비하는 것.
• 제어 가능한 잠금 장벽을 통해 통합체를 두 개의 별개의 BEC로 공간적으로 분리함으로써 집합 스핀 자유도에서의 얽힘을 유지하는 것.
• 스핀의 회전과 측정을 위해 각 통합체에 대해 고주파 및 마이크로파 필드를 이용한 개별 양자 수준의 조작과 측정을 수행하는 것.
• 수식적 불확실성(variance)을 이용해 EPR 기준을 평가하기 위해 수직 방향(S_y 및 S_z)에서의 스핀 상관관계를 측정하는 것.
• RF 및 마이크로파 신호 발생기 간의 시간 지연에 기인한 노이즈를 줄이기 위해 시간 지연에 대한 고전적 보정을 적용하는 것.
• EPR 기준의 적용: EPR_EPR^{A→B} = ⟨(ΔS_y^B)^2_inferred⟩ < 1/4, 여기서 추론된 불확실성은 A에서의 측정 결과로부터 유도된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두 개의 공간적으로 분리된 질량이 큰 다체계에서 EPR 파라독스를 관측할 수 있는가?
• RQ2 EPR 얽힘으로 나타나는 양자 비국소성은 1,000개 이상의 질량이 큰 입자를 포함하는 시스템에서도 지속되는가?
• RQ3 강력한 양자 상관관계를 검증하기 위해 두 개의 공간적으로 분리된 BEC에서 개별 양자 제어 및 고정밀 측정이 가능할 수 있는가?
• RQ4 시간 지연과 같은 기술적 노이즈 요소들이 EPR 기준에서 추론된 불확실성 측정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 EPR 얽힘은 거대하고 질량이 큰 시스템에서의 양자 기술 자원으로 실현 가능한가?

주요 결과

• 실험은 각각 약 700개의 리비듐 원자를 포함하는 두 개의 공간적으로 분리된 보즈-아인슈타인 통합체 사이에서 EPR 얽힘을 관측하였다.
• EPR 기준은 EPR_EPR^{A→B} = 0.87 ± 0.04 및 EPR_EPR^{B→A} = 0.82 ± 0.04로 위반되었으며, 이는 추론된 불확실성 곱이 헤이젠베르크 한계 이하임을 나타낸다.
• 관측된 EPR 값은 여러 데이터 블록에서 일관되며, 전체 데이터 세트를 하나의 블록으로 분석할 때도 강인하게 유지된다.
• 시간 지연(δt ≈ 4 ns)에 기반한 고전적 보정을 통해 S_y^B 측정의 노이즈를 감소시켰으며, 추론된 불확실성의 정확도가 향상되었다.
• 고전적 시간 정보를 기반으로 한 보정은 EPR 부등식 위반에 영향을 주지 않으며, 이는 여전히 양자 얽힘에 의해 유도된 것으로 확인되었다.
• 결과는 양자역학과 지역 실재성 간의 갈등이 1,000개 이상의 입자를 포함하는 거대한 다체계에서도 여전히 지속됨을 확인한다.