[論文レビュー] Einstein-Podolsky-Rosen experiment with two Bose-Einstein condensates

Paolo Colciaghi, Yifan Li+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2022

Quantum Mechanics and Applications被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、約700個のルビジウム原子を含む2つの空間的に分離されたボーズ・アインシュタイン凝縮系において、スピンを圧縮した状態を準備し、それを2つのもつれ済みの凝縮体に分割することで、アインシュタイン＝ポドルスキー＝ローゼン（EPR）のパラドックスを実証した。実験では、ヘイゼンベルクの不確定性関係の限界を下回る推定不確実性が確認され、量子非局所性が1,000粒子を超える質量を有する多数体系においても成立することを証明した。

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.

研究の動機と目的

• 量子非局所性の象徴たるEPRパラドックスが、巨視的かつ質量を有する多数粒子系においても成立するかどうかを検証すること。
• デコherenceおよび技術的ノイズに打ち勝って、2つの空間的に分離された質量を有する原子アンサンブル間のEPRもつれを実証すること。
• 局所実在性を破るのに十分な強い量子相関が、1,000個を超える質量を有する粒子系で達成可能かどうかを検証すること。
• もつれたBECを用いた量子メトロロジーおよび情報処理のための基盤を構築すること。

提案手法

• マルチパーティクルもつれを生成するため、スピンを圧縮した状態にした1つのボーズ・アインシュタイン凝縮体の準備。
• 制御されたポテンシャルバリアを用いて凝縮体を空間的に2つの別々のBECに分割し、集団スピン自由度におけるもつれを保持する。
• スピン回転および測定のため、それぞれの凝縮体に対してラジオ周波数およびマイクロ波場を用いた個々の量子レベルの操作と検出。
• 垂直方向（S_yおよびS_z）におけるスピン相関を測定し、推定分散を用いてEPR基準を評価する。
• RFおよびマイクロ波信号発生器間のタイミングジッターを補正するための古典的補正を適用し、スピンBの推定分散におけるノイズを低減する。
• EPR基準の適用：EPR_EPR^{A→B} = ⟨(ΔS_y^B)^2_inferred⟩ < 1/4、ここで推定分散はAでの測定結果から導出される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EPRパラドックスは、2つの空間的に分離された質量を有する多数粒子系で観測可能か？
• RQ2 EPRもつれとして現れる量子非局所性は、1,000個を超える質量を有する粒子系においても成立するか？
• RQ3 2つの空間的に分離されたBECにおいて、個々の量子制御および高精度な検出が可能か、強力な量子相関が検証可能か？
• RQ4 タイミングジッターなどの技術的ノイズ要因が、EPR基準における推定分散の測定にどのように影響するか？
• RQ5 EPRもつれは、巨視的かつ質量を有する系において、量子技術の実用的リソースとして有効か？

主な発見

• 実験では、それぞれ約700個のルビジウム原子を含む2つの空間的に分離されたボーズ・アインシュタイン凝縮体間でEPRもつれが観測された。
• EPR基準はEPR_EPR^{A→B} = 0.87 ± 0.04およびEPR_EPR^{B→A} = 0.82 ± 0.04で破られ、推定不確実性積がヘイゼンベルクの限界を下回っていることが示された。
• 観測されたEPR値は複数のデータブロックにわたり一貫しており、全データセットを1つのブロックとして分析しても、その堅牢性が保たれた。
• スピンBの測定におけるノイズ低減のため、タイミングジッター（δt ≈ 4 ns）に対する古典的補正が適用され、推定分散の精度が向上した。
• 古典的タイミング情報に基づく補正はEPR不等式の破れに影響を及ぼさず、破れはすべて量子もつれに起因していることが確認された。
• 結果として、量子力学と局所実在性の間の矛盾が、1,000粒子を超える質量を有する多数体系でさえも成立し続けることが確認された。