[논문 리뷰] Beyond the temporal Tsirelson bound: an experimental test of a Leggett-Garg inequality in a three-level system

Kunkun Wang, Clive Emary외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 10.

Quantum Mechanics and Applications인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 광학 장치를 사용한 삼중 측정 결과를 가진 삼중 양자 시스템에 대해 레거렛-가르크 부등식을 확장하여, 전통적인 이항 측정보다 세 시간 및 네 시간 부등식에서 훨씬 더 큰 위반 현상을 달성한다. 삼중 측정 결과에 대해 가능한 최대의 양자 증거 등식 위반을 보고하며, 공간적 및 시간적 양자 상관관계 간의 근본적인 차이를 드러낸다.

ABSTRACT

Leggett-Garg inequalities are tests of macroscopic realism that can be violated by quantum mechanics. In this letter, we realise photonic Leggett-Garg tests on a three-level system and implement measurements that admit three distinct measurement outcomes, rather than the usual two. In this way we obtain violations of three- and four-time Leggett-Garg inequalities that are significantly in excess of those obtainable in standard Leggett-Garg tests. We also report violations the quantum-witness equality up to the maximum permitted for a three-outcome measurement. Our results highlight differences between spatial and temporal correlations in quantum mechanics.

연구 동기 및 목표

• 표준 이중 상태 사례가 아닌 삼중 양자 시스템에서 레거렛-가르크 부등식을 사용하여 거시적 현실주의를 연구하는 것.
• 더 높은 차원의 시스템이 기존의 이항 측정보다 레거렛-가르크 부등식의 위반 정도를 더 강하게 만들 수 있는지 탐구하는 것.
• 삼중 측정 결과에 대한 양자 증거 등식을 실험하고, 그 최대 달성 가능한 위반 정도를 결정하는 것.
• 양자역학에서 시간적 상관관계와 공간적 상관관계를 비교하여 내재된 차이점을 부각하는 것.

제안 방법

• 실험은 경로와 편광 자유도를 제어하는 광학 장치를 통해 실현된 광학적 삼중 양자 시스템을 사용한다.
• 삼중 측정 결과는 빔 스플리터, 웨이브 플레이트 및 단일 광자 탐지기를 조합하여 세 개의 구분 가능한 양자 상태를 식별하도록 구현된다.
• 동일한 시스템에 대한 순차적 사영 측정을 통해 세 시간 및 네 시간의 레거렛-가르크 부등식을 구성하고 측정한다.
• 동일한 삼중 측정 결과 프레임워크 내에서 양자 증거 등식을 평가하여 허용되는 최대 양자 위반 정도를 테스트한다.
• 다양한 시간 단계를 거쳐 시간적 상관관계를 분석하여 거시적 실재론의 실패 정도를 평가한다.
• 최대 양자 위반에 대한 이론적 한계를 유도하고 실험 결과와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레거렛-가르크 부등식은 삼중 측정 결과를 가진 삼중 양자 시스템으로 일반화될 수 있는가?
• RQ2 삼중 측정 결과는 이항 측정 결과보다 레거렛-가르크 부등식의 위반 정도를 현저히 크게 만들 수 있는가?
• RQ3 삼중 측정 결과 상황에서 양자 증거 등식의 최대 달성 가능한 위반 정도는 무엇인가?
• RQ4 삼중 양자 시스템에서 시간적 상관관계는 양자역학의 공간적 상관관계와 어떻게 다를까?
• RQ5 삼중 측정 결과를 사용하여 삼중 양자 시스템에서 시간적 츠레르손 경계를 초월할 수 있는가?

주요 결과

• 실험은 기존의 이항 측정 결과보다 세 시간 및 네 시간의 레거렛-가르크 부등식 위반 정도가 현저히 높게 달성되었다.
• 양자 증거 등식은 삼중 측정 결과에 대해 허용 가능한 최대 값까지 위반되었으며, 이는 최대 양자 행동을 확인한다.
• 결과는 삼중 양자 시스템에서 시간적 상관관계가 이중 양자 시스템에서 관측된 한계를 초월할 수 있음을 보여주며, 더 강한 비고전성의 가능성을 시사한다.
• 이 연구는 양자역학에서 공간적 상관관계와 시간적 상관관계 간의 근본적인 비대칭성을 드러내며, 고차원 시스템에서 시간적 상관관계가 더 강한 비고전성을 보임을 확인한다.
• 관측된 위반 정도는 양자 이론과 일치하며, 순차적 측정 하에서 삼중 양자 시스템에서 거시적 실재론의 실패를 확인한다.