[논문 리뷰] Observation of Nonlocality Sharing among Three Observers with One Entangled Pair via Optimal Weak Measurement

Mengjun Hu, Zhi‐Yuan Zhou외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 07.

Quantum Mechanics and Applications참고 문헌 35인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 최적의 약한 측정을 통해 단일 양자 얽힌 광자 쌍으로부터 비국소성이 세 관측자—앨리스, 보브1, 보브2—간에 공유될 수 있음을 실험적으로 입증한다. 보브1이 한 광자에 대해 강도 연속 조절 가능한 약한 측정을 적용함으로써, 앨리스 및 보브2와의 얽힘을 유지할 수 있었으며, 이로 인해 CHSH-벨 부등식의 이중 위반이 발생했으며, F=0.6 및 G=0.8에서 최대 위반 값 S≈2.26를 각 쌍에서 관측하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 단일 얽힌 쌍에서 비국소성이 표준 이중 당사자 벨 시나리오를 초월해 다수의 관측자 간에 공유될 수 있는지 조사하기.
• 후선택 없이 약한 측정을 통해 양자 측정과 비국소성 분포 간의 상호작용을 탐구하기.
• 조절 가능한 약한 측정 강도를 갖는 광학 시스템에서 이중 CHSH-벨 부등식 위반의 실험적 실현 및 인증하기.
• 제어 가능한 비국소성 공유를 통한 무한정 랜덤성 인증 및 양자 조종의 가능성 입증하기.

제안 방법

• 고정밀도 편광 얽힌 광자 쌍을 생성하기 위해 유형-II 아포다이즈드 PPKTP 결정을 갖는 샹락 루프 간섭계를 사용한 광학 장치의 구현.
• 측정 간섭과 정보 확보를 제어하기 위해 시스템과 프로브 사이의 커플링 강도를 조절 가능한 질량 요소 F와 정밀도 G로 정의된 약한 측정 프로토콜의 사용.
• 시스템 밀도 행렬이 ρ = Fρ₀ + (1−F)(π↑ρ₀π↑ + π↓ρ₀π↓)로 진화하는 바닐라-바우만 유형의 측정 모델을 적용하여 부분적 위상 일관성과 얽힘을 유지하기.
• 비국소성 공유를 극대화하면서 간섭을 최소화하기 위해 F² + G² = 1 조건을 만족하는 최적의 약한 측정 적용.
• 앨리스 및 보브2는 측정을 수행하고, 보브1은 약한 측정을 수행하여 앨리스–보브1 및 앨리스–보브2 쌍에 대한 CHSH 부등식을 테스트하기.
• 고정밀도 스탠드바이 상태 |φ⁻⟩ = (|HV⟩ − |VH⟩)/√2를 생성하기 위해 샹락 간섭계의 상대 위상을 π로 조정하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 약한 측정을 통해 단일 얽힌 쌍의 비국소성이 세 관측자 간에 공유될 수 있는가?
• RQ2 이중 CHSH-벨 부등식 위반을 가능하게 하는 약한 측정 매개변수(F, G)의 범위는 무엇인가?
• RQ3 약한 측정의 강도가 다수의 관측자와의 양자 상관관계 유지를 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 최적의 약한 측정(F² + G² = 1)이 비국소성 공유를 극대화하면서도 얽힘을 유지할 수 있는가?
• RQ5 두 관측자 쌍에 대해 비국소성 공유의 정량적 한계는 CHSH 위반 측정으로서 무엇인가?

주요 결과

• 앨리스–보브1 및 앨리스–보브2 쌍에 대해 이중 CHSH-벨 부등식 위반이 실험적으로 관측되어 세 관측자 간의 비국소성 공유가 확인되었다.
• 최적의 약한 측정 매개변수 F=0.6 및 G=0.8에서 두 쌍 모두 S≈2.26의 최대 CHSH 위반을 기록하였으며, 국소 실재론적 한계인 2를 초월하였다.
• 이중 위반이 가능한 매개변수 영역은 제약 조건 F² + G² ≤ 1에 의해 제한되며, 최적 조건에서 F∈(√2−1, √2/2)일 때에만 이중 위반이 가능하다.
• 높은 해상도의 편광 간섭(99.70±0.06% 및 99.32±0.08%)은 생성된 얽힌 상태 |φ⁻⟩의 고정밀도를 확인하였다.
• 원시 공진도율 약 19,000회/6초, 단일 카운트 약 375,000회 및 275,000회를 기록하여 강력한 벨 테스트 통계를 지원하였다.
• 결과는 약한 측정이 간섭과 정보 확보의 균형을 맞춤으로써 비국소성 공유를 가능하게 한다는 이론적 예측을 검증하였다.