[論文レビュー] Experimentally identifying the transition from quantum to classical with Leggett-Garg inequalities

Jin‐Shi Xu, Chuan‐Feng Li+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2009

Quantum Information and Cryptography参考文献 1被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、単一光子系におけるレッグレット＝ガール不等式（LGIs）を用いて、量子から古典への遷移を実験的に検証し、偏光性媒体によるデコherenceが進行するにつれてLGIsの破れ（非古典的挙動を示す）が減少することを示した。結果として、協調的進化下で最大の破れが観測され、古典的実在性の境界を、LGIsの破れ可能性に基づいて測定可能なものとした。

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.

研究の動機と目的

• レッグレット＝ガール不等式を用いて、量子力学と古典力学の境界を調査すること。
• 制御されたデコherence下で、マクロ実在性および非侵襲的測定可能性の妥当性を量子系において検証すること。
• デコherenceがLG不等式の破れに与える影響を実験的に示すこと。
• LGIsの破れを用いて、量子的から古典的挙動への遷移を定量的に測定する指標を確立すること。

提案手法

• 実験は、時間経過に伴う系の進化を模倣するため、超位置状態に準備された単一光子を用いる。
• 偏光性媒体を用いて環境との相互作用を模倣し、制御されたデコherenceを誘発する。
• 複数の時間ステップで測定を実施し、レッグレット＝ガール不等式を評価する。
• 系の進化がLG不等式の破れを示すかどうかを分析し、非古典的挙動を示す。
• 環境との相互作用時間の関数として、破れの程度を定量化する。
• マクロ実在性および非侵襲的測定可能性に基づく理論的予測を用いて、実験結果と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 デコherenceが進行するに従い、単一光子系におけるレッグレット＝ガール不等式の破れはどの程度減少するか？
• RQ2 LGIsの破れを通じて、量子的から古典的挙動への遷移を実験的に観察できるか？
• RQ3 協調的進化とデコherence進化の両者において、LGIsの破れはどのように比較されるか？
• RQ4 LG不等式の破れ可能性は、非古典的挙動の信頼できる指標として機能するか？
• RQ5 環境との相互作用時間と、LGIsの破れによって測定される量子デコherenceの喪失との関係は何か？

主な発見

• レッグレット＝ガール不等式は、単一光子の協調的進化下で最大に破られる。
• 偏光性媒体内での相互作用時間が長くなるにつれて、LGIsの破れの程度が段階的に減少する。
• 破れの減少は、環境によって誘発されるデコherenceの強度と相関している。
• 実験結果は、LGIsの破れがデコherenceに敏感であり、量子から古典への遷移の測定可能なシグネチャーであることを確認した。
• LG不等式の破れ可能性は、古典的実在的記述の定量的境界を提供する。
• 研究結果は、協調的ダイナミクス下でマクロ実在性および非侵襲的測定可能性が量子力学と両立しないことを支持する。