[论文解读] An experimental test of the non-classicality of quantum mechanics using an unmovable and indivisible system

Xi Kong, Mingjun Shi+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2012

Quantum Mechanics and Applications被引用 3

一句话总结

本研究通过在室温下利用金刚石中的氮-vacancy（NV）中心，在单个自旋-1电子系统中实验验证了量子语境性。通过在不可移动、不可分割的固态系统上测量五个精心选择的可观测量，该实验关闭了先前多粒子实验中存在的相容性漏洞，证实了量子力学本质上具有语境性，且与非语境性隐变量理论不相容。

ABSTRACT

Quantum mechanics provides a statistical description about nature, and thus would be incomplete if its statistical predictions could not be accounted for by some realistic models with hidden variables. There are, however, two powerful theorems against the hidden-variable theories showing that certain quantum features cannot be reproduced based on two rationale premises of locality, Bell's theorem, and noncontextuality, due to Bell, Kochen and Specker (BKS). Noncontextuality is independent of nonlocality, and the contextuality manifests itself even in a single object. Here we report an experimental verification of quantum contextuality by a single spin-1 electron system at room temperature. Such a three-level system is indivisible and then we close the compatibility loophole which exists in the experiments performed on bipartite systems. Our results confirm the quantum contextuality to be the intrinsic property of single particles.

研究动机与目标

• 通过使用单一、不可分割的粒子系统，关闭实验测试量子语境性时存在的相容性漏洞。
• 在固态单粒子系统中，对Kochen-Specker定理提供决定性的实验验证。
• 消除对纠缠或关联测量的依赖，避免检测漏洞和相容性漏洞。
• 证明语境性是单粒子的内在属性，而不仅仅是纠缠系统的特征。
• 利用金刚石中的氮-vacancy中心，在自旋-1系统上实现精确、高保真度的测量。

提出的方法

• 实验使用金刚石中的氮-vacancy（NV）中心作为单个自旋-1系统，电子自旋态作为量子系统。
• 在三维希尔伯特空间中定义五个可观测量 $ L_i = |\ell_i\rangle\langle\ell_i| $，其中 $ \ell_i $ 按循环方式两两相容。
• 构建一个非语境性不等式：$ \sum_{i=1}^5 \langle L_i \rangle - \sum_{i=1}^5 \langle L_i L_{i+1} \rangle \leq 2 $，该不等式在量子力学中被违反。
• 实验测量单个期望值 $ \langle L_i \rangle $ 和 $ \langle L_i L_{i+1} \rangle $，无需符合检测或干涉。
• 通过柯西-施瓦茨不等式和平均重叠 $ \epsilon = \overline{|\langle\ell_i|\ell_{i+1}\rangle|^2} = 0.0020 $ 推导理论边界，确保对态制备误差具有鲁棒性。
• 通过动态解耦（Hahn自旋回波）、高拉比频率脉冲和磁场稳定化，最小化退相干和超精细相互作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不依赖纠缠或多粒子关联的情况下，在单一、不可分割的粒子系统中实验验证量子语境性？
• RQ2 在存在真实退相干和实验缺陷的固态系统中，非语境性不等式的违反是否依然成立？
• RQ3 在单粒子实验中，能否完全关闭由双粒子系统中粒子间相互作用引起的相容性漏洞？
• RQ4 实验缺陷（如退相干和态制备误差）在多大程度上影响非语境性违反的观测结果？
• RQ5 所观测到的违反是否足够鲁棒，足以确认语境性是量子力学的内在特征，即使在宏观、不可移动的系统中也是如此？

主要发现

• 实验在非语境性不等式左侧得到下限 2.098，超过经典极限 2，从而明确证实了量子违反。
• 连续测量方向之间的平均重叠为 $ \epsilon = 0.0020 $，表明近乎正交，最大限度减少了相容性问题。
• 相干时间 $ T_2 = (148 \pm 17)~\mu\text{s} $ 限制了实验，但所观测到的违反在退相干下依然稳健。
• 态制备保真度的测量偏差在荧光强度上小于 0.02，表明态制备和控制具有高保真度。
• 实验在无需符合计数或光子干涉的情况下，仅依靠单个投影测量即实现了对非语境性的违反。
• 结果证实，量子语境性是单粒子的内在属性，无法用任何非语境性隐变量模型解释。