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

Kunkun Wang, Clive Emary+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2017

Quantum Mechanics and Applications被引用 2

一句话总结

本研究将莱格特-加尔格不等式扩展至三能级量子系统，采用具有三种不同测量结果的光子实验装置，实现了对三时和四时不等式的显著更大程度的量子 violation，远超标准双结果测量。该研究报告了三结果测量下量子观测等式最大可能的量子 violation，揭示了空间与时间量子关联之间的根本差异。

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.

研究动机与目标

• 研究在三能级量子系统而非标准的两能级情况下，利用莱格特-加尔格不等式检验宏观实在性。
• 探讨高维系统是否能实现比传统双结果测量更强的莱格特-加尔格不等式 violation。
• 在三结果测量下测试量子观测等式，并确定其最大可实现 violation。
• 比较量子力学中的时间关联与空间关联，突出其内在差异。

提出的方法

• 实验采用通过路径和偏振自由度在受控光学装置中实现的光子三能级系统。
• 通过分束器、波片和单光子探测器的组合，实现三种结果的测量，以区分三种不同的量子态。
• 利用对同一系统进行的顺序投影测量，构建并测量三时和四时莱格特-加尔格不等式。
• 在相同的三结果测量框架下评估量子观测等式，以测试允许的最大量子 violation。
• 通过多个时间步长分析时间关联，评估宏观实在性失效的程度。
• 推导理论上的最大量子 violation 边界，并与实验结果进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 莱格特-加尔格不等式能否推广至具有三种不同测量结果的三能级系统？
• RQ2 三结果测量是否会导致莱格特-加尔格不等式相比双结果测量产生显著更大的 violation？
• RQ3 在三结果测量情景下，量子观测等式的最大可实现 violation 是多少？
• RQ4 三能级系统中的时间关联与量子力学中的空间关联有何不同？
• RQ5 在三能级系统中，使用三结果测量能否超越时间的切尔内塞夫界限（temporal Tsirelson bound）？

主要发现

• 实验实现的三时和四时莱格特-加尔格不等式 violation 显著超过标准双结果测试所能达到的程度。
• 量子观测等式在三结果测量下达到了允许的最大值，证实了最大量子行为。
• 结果表明，三能级系统中的时间关联可超越两能级系统中观察到的界限，表明更强的非经典性。
• 本研究揭示了量子力学中空间关联与时间关联之间存在根本不对称性，时间关联在高维系统中表现出更强的非经典强度。
• 观测到的 violation 与量子理论一致，证实了在顺序测量下三能级系统中宏观实在性的失效。