[论文解读] 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 7

一句话总结

该论文通过制备一个压缩自旋态并将其分裂为两个纠缠的玻色-爱因斯坦凝聚体，在两个空间分离的玻色-爱因斯坦凝聚体中实现了爱因斯坦-波多尔斯基-罗森（EPR）佯谬，每个凝聚体包含约700个铷原子。实验确认了EPR纠缠，其推断不确定性低于海森堡不确定性极限，证明了量子非定域性在超过1,000个粒子的宏观质量多体系统中依然存在。

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.

研究动机与目标

• 检验EPR佯谬——这一量子非定域性的标志——是否在宏观的、质量较大的多粒子系统中依然存在。
• 在两个空间分离的、质量较大的原子集合之间实现EPR纠缠，克服退相干和实验噪声的影响。
• 验证在超过1,000个质量较大的粒子系统中，能够实现足够强的量子关联以违反局域实在论。
• 建立一个用于量子计量学和信息处理的平台，利用纠缠的玻色-爱因斯坦凝聚体。

提出的方法

• 通过制备一个处于自旋压缩态的单个玻色-爱因斯坦凝聚体，生成多体纠缠。
• 通过受控势垒将凝聚体在空间上分裂为两个独立的玻色-爱因斯坦凝聚体，同时保持集体自旋自由度中的纠缠。
• 利用射频和微波场对每个凝聚体进行个体量子级操控和探测，实现自旋旋转与测量。
• 通过测量正交方向（S_y 和 S_z）上的自旋关联，利用推断方差评估EPR标准。
• 对射频和微波信号发生器之间的时间抖动应用经典校正，以降低对自旋B推断方差的噪声影响。
• 应用EPR标准：EPR_EPR^{A→B} = ⟨(ΔS_y^B)^2_inferred⟩ < 1/4，其中推断方差由对A的测量结果推导得出。

实验结果

研究问题

• RQ1 EPR佯谬是否可以在两个空间分离的、质量较大的多体系统中被观测到？
• RQ2 作为EPR纠缠体现的量子非定域性，是否在超过1,000个质量较大的粒子系统中依然存在？
• RQ3 是否可以在两个空间分离的玻色-爱因斯坦凝聚体中实现个体量子控制和高保真度探测，以验证强量子关联？
• RQ4 技术噪声源（如时间抖动）如何影响EPR标准中推断方差的测量？
• RQ5 EPR纠缠是否可作为宏观质量系统中量子技术的可行资源？

主要发现

• 实验在两个空间分离的玻色-爱因斯坦凝聚体之间观测到了EPR纠缠，每个凝聚体包含约700个铷原子。
• EPR标准被违反，EPR_EPR^{A→B} = 0.87 ± 0.04 且 EPR_EPR^{B→A} = 0.82 ± 0.04，表明推断不确定性乘积低于海森堡极限。
• 观测到的EPR值在多个数据块中保持一致，并且在将整个数据集作为一个整体分析时依然具有鲁棒性。
• 通过应用时间抖动（δt ≈ 4 ns）的经典校正，降低了对S_y^B测量的噪声，提高了推断方差的准确性。
• 基于经典时间信息的校正不影响EPR不等式的违反，其违反完全源于量子纠缠。
• 结果证实，量子力学与局域实在论之间的矛盾即使在超过1,000个粒子的宏观质量多体系统中依然存在。