[논문 리뷰] Hidden nonmacrorealism: reviving the Leggett-Garg inequality with stochastic operations

Huan-Yu Ku, Hao‐Cheng Weng외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 18.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 84인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 '숨겨진 비맥락적 실재성 채널'—초기에는 레그게트-가르드 부등식(LGI)을 위반하지 않지만, 확률적 사전 및 사후 연산(SPPOs)을 거친 후에는 위반할 수 있는 양자 채널—을 소개한다. 주요 기여는 이전에 매크로실재성으로 간주되었던 채널에서 SPPOs를 통해 비맥락적 실재성 역학이 드러날 수 있음을 보여주는 것으로, 광자 큐비트를 사용한 실험적 검증을 통해 암시 감쇠 채널에서 수행되었다.

ABSTRACT

The Leggett-Garg inequality (LGI) distinguishes nonmacrorealistic channels from macrorealistic ones by constraining the experimental outcomes of the underlying system. In this work, we propose a class of channels which, initially, cannot violate the LGI (in the form of the temporal Bell inequality) but can violate it after the application of stochastic pre- and post- operations (SPPOs). As a proof-of-principle experiment, we demonstrate the stochastic pre- and post- operations in an amplitude-damping channel with photonic qubits. We denote the above phenomenon as hidden nonmacrorealistic channels. We also discuss the relationship between this hidden nonmacrorealistic channels (in terms of the temporal Clauser-Horne-Shimony-Holt (CHSH) inequality) and the strongly nonlocality-breaking channel, which breaks the hidden spatial CHSH nonlocality for arbitrary states. In general, if the channel satisfies hidden nonmacrorealism, it is not a strongly CHSH nonlocality-breaking channel.

연구 동기 및 목표

• 초기에는 매크로실재성이지만, 확률적 연산을 거치면 비매크로실재성이 될 수 있는 양자 채널을 식별하는 것.
• 스토하스틱 사전 및 사후 연산(SPPOs)을 사용한 프로토콜을 개발하고 실험적으로 구현하여 비매크로실재성을 활성화하는 것.
• 숨겨진 비매크로실재성과 강한 CHSH 비국소성 파괴 채널 간의 관계를 명확히 하는 것.
• LGI를 활용하여 양자 네트워크에서 양자성을 인증할 수 있도록 하는 것.

제안 방법

• 초기에는 매크로실재성을 만족하지만, SPPOs 이후에는 시간적 CHSH 부등식을 위반할 수 있는 양자 채널의 클래스를 제안한다.
• 스토하스틱 사전 및 사후 연산(SPPOs)을 적용하여 채널 역학을 변형하고 숨겨진 비매크로실재성을 드러낸다.
• 증명의 원리로서 암시 감쇠 채널에서 SPPO 프로토콜을 광자 큐비트로 실현한다.
• 비매크로실재성의 테스트로 시간적 클로저-혼-시몬-홀리스트(CHSH) 부등식을 사용한다.
• 채널이 숨겨진 비매크로실재성을 보이지만 강한 CHSH 비국소성 파괴가 아닌 조건을 이론적으로 유도한다.
• 시간적 상관관계 측정과 함께 이론을 실험적으로 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초기에는 LGI를 위반하지 않는 양자 채널이 SPPOs를 통해 위반을 활성화시킬 수 있는가?
• RQ2 숨겨진 비매크로실재성과 강한 CHSH 비국소성 파괴 채널 성질 간의 관계는 무엇인가?
• RQ3 SPPOs가 양자 채널의 비매크로실재성 내용을 어떻게 변형하는가?
• RQ4 숨겨진 비매크로실재성이 광자 시스템에서 실험적으로 관측될 수 있는가?
• RQ5 숨겨진 비매크로실재성의 존재가 채널이 강한 비국소성 파괴가 아니라는 것을 의미하는가?

주요 결과

• 초기에는 LGI를 위반하지 않지만, SPPOs를 적용한 후 암시 감쇠 채널이 위반을 보이며, 숨겨진 비매크로실재성의 존재를 확인한다.
• 시간적 CHSH 부등식의 실험적 위반 값은 2.42 ± 0.04에 도달하여 고전적 한계인 2를 초과한다.
• 이 연구는 숨겨진 비매크로실재성을 가진 채널는 강한 CHSH 비국소성 파괴가 될 수 없음을 규명하여, 두 성질 간의 근본적 차이를 시사한다.
• SPPOs를 통해 기존에 매크로실재성으로 보였던 채널에서 비매크로실재성 역학을 효과적으로 드러낼 수 있다.
• 결과적으로 시간적 상관관계에서의 양자성은 확률적 연산을 통해 활성화될 수 있으며, 이는 새로운 인증 프로토콜을 가능하게 한다.
• 결과들은 LGI가 매크로실재성으로 보이는 채널에 대해서도 양자 네트워크에서 양자성을 인증하는 데 유용하다는 것을 지지한다.