[논문 리뷰] Experimentally identifying the transition from quantum to classical with Leggett-Garg inequalities

Jin‐Shi Xu, Chuan‐Feng Li외 2명|arXiv (Cornell University)|2009. 07. 01.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 1인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 단일 광자 시스템에서 레그켓-가르 불등식(Leggett-Garr inequalities, LGIs)을 사용하여 양자에서 고전으로의 전이를 실험적으로 검증한다. LGI 위반—비고전적 행동을 나타내는 것—은 이중성 매질에 의한 디코herence가 증가함에 따라 감소함을 보여주며, 이는 일관된 진동에서 최대 위반을 보이며, 고전적 실재성의 측정 가능한 경계를 설정한다.

ABSTRACT

Despite the great success of quantum mechanics, questions regarding its application still exist and the boundary between quantum and classical mechanics remains unclear. Based on the philosophical assumptions of macrorealism and noninvasive measurability, Leggett and Garg devised a series of inequalities (LG inequalities) involving a single system with a set of measurements at different times. Introduced as the Bell inequalities in time, the violation of LG inequalities excludes the hidden-variable description based on the above two assumptions. We experimentally investigated the single photon LG inequalities under decoherence simulated by birefringent media. These generalized LG inequalities test the evolution trajectory of the photon and are shown to be maximally violated in a coherent evolution process. The violation of LG inequalities becomes weaker with the increase of interaction time in the environment. The ability to violate the LG inequalities can be used to set a boundary of the classical realistic description.

연구 동기 및 목표

• 레그켓-가르 불등식을 사용하여 양자역학과 고전역학 사이의 경계를 조사하기.
• 통제된 디코herence 조건 하에서 양자 시스템에서 거대실재성과 비침습적 측정 가능성의 타당성을 테스트하기.
• 디코herence가 LG 불등식 위반에 미치는 영향을 실험적으로 증명하기.
• LGI 위반을 이용하여 양자적 행동에서 고전적 행동으로의 전이에 대한 정량적 기준을 설정하기.

제안 방법

• 실험은 시간에 따라 진화하는 시스템을 시뮬레이션하기 위해 초기 상태가 중첩 상태로 준비된 단일 광자를 사용한다.
• 이중성 매질을 사용하여 환경 상호작용을 시뮬레이션하고 제어된 디코herence를 유도한다.
• 다양한 시간 단계에서 측정을 수행하여 레그켓-가르 불등식을 평가한다.
• 시스템의 진화가 LG 불등식 위반 여부를 분석하며, 이는 비고전적 행동을 나타낸다.
• 환경와의 상호작용 시간의 함수로 위반 정도를 정량화한다.
• 거대실재성과 비침습적 측정 가능성에 기반한 이론적 예측을 실험 결과와 비교하기 위해 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 디코herence가 단일 광자 시스템에서 레그켓-가르 불등식의 위반 정도에 얼마나 영향을 미치는가?
• RQ2 LGI 위반을 통해 양자에서 고전으로의 전이가 실험적으로 관찰될 수 있는가?
• RQ3 일관된 진동과 디코herent 진동 간의 LGI 위반 정도는 어떻게 비교되는가?
• RQ4 LGI를 위반할 수 있는 능력이 비고전적 행동을 신뢰할 만한 지표로 작용하는가?
• RQ5 환경와의 상호작용 시간과 LGI 위반 정도로 측정된 양자 디코herence의 손실 간의 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 레그켓-가르 불등식은 단일 광자의 일관된 진동 중에 최대로 위반된다.
• 이중성 매질 내에서 상호작용 시간이 증가함에 따라 LGI 위반 정도가 점진적으로 감소한다.
• 위반 정도의 감소는 환경에 의해 유도된 디코herence의 강도와 상관관계가 있다.
• 실험 결과는 LGI 위반이 디코herence에 민감하며, 양자에서 고전으로의 전이에 대한 측정 가능한 서명을 제공함을 확인한다.
• LGI를 위반할 수 있는 능력은 고전적 실재성 기술의 정량적 경계로 기능한다.
• 결과는 거대실재성과 비침습적 측정 가능성의 개념이 일관된 동역학 하에서는 양자역학과 호환되지 않음을 지지한다.