[论文解读] Entanglement and Non-locality in a Micro-Macroscopic system

F. De Martini, Fabio Sciarrino+1 more|ArXiv.org|Apr 2, 2008

Quantum Information and Cryptography参考文献 46被引用 3

一句话总结

该论文通过实验展示了单个光子（微观系统）与约35,000个光子的宏观叠加态之间的纠缠，该态通过量子注入光参量放大（QI-OPA）产生。该系统违反了贝尔不等式，证实了在微观-宏观量子系统中存在非定域性，并提供了跨尺度量子非定域性的直接证据。

ABSTRACT

In recent years two fundamental aspects of quantum mechanics have attracted a great deal of interest, namely the investigation on the irreducible nonlocal properties of Nature implied by quantum entanglement and the physical realization of the 'Schroedinger Cat'. In the present work a macro - state consisting of about 3.5 x 10^4 photons in a quantum superposition and entangled with a far apart single - photon state is generated. Then, the non-separability of the overall micro-macro system is demonstrated and the corresponding Bell's inequalities are found to be violated. Precisely, an entangled photon pair is created by a nonlinear optical process, then one photon of the pair is injected into an optical parametric amplifier operating for any input polarization state, i.e. into a phase-covariant cloning machine. Such transformation establishes a connection between the single photon and the multi particle fields. We then demonstrate the non-separability of the bipartite system by adopting a local filtering technique within a positive operator valued measurement.

研究动机与目标

• 通过实验实现一个量子系统，将单个光子（微观）与约3.5×10⁴个光子的宏观叠加态纠缠。
• 在其中一方为宏观系统的系统中，检验量子力学预测的非定域关联，挑战关于量子-经典边界的传统经典直觉。
• 通过验证微观-宏观纠缠系统中贝尔不等式的违反，从而排除此类大规模量子态的局部隐变量理论。
• 通过观察放大和测量过程中量子特性在宏观系统中的持续存在，探索量子到经典过渡的机制。
• 展示一种可扩展的量子信息处理平台，利用QI-OPA生成的宏观量子态。

提出的方法

• 通过非线性晶体中的自发参量下转换（SPDC）产生纠缠光子对，生成单态 |Ψ⁻⟩。
• 将光子对中的一个光子注入高增益光参量放大器（OPA）中，该OPA作为相位协变克隆机，将单光子态转化为Fock态的宏观叠加。
• 该放大过程称为量子注入光参量放大（QI-OPA），生成了包含约N ≈ 3.5×10⁴个光子处于叠加态的宏观量子态。
• 通过正算子值测度（POVM）框架内的局部滤波技术，确认了所得微观-宏观纠缠态的非可分性。
• 利用四个测量基：{π₊, π₋} 和 {πᴿ, πᴸ}，通过Soleil-Babinet补偿器控制相位差，测试贝尔型不等式。
• 在5小时内测量符合率与可见度，每个数据点平均采集4000个事件，电子滤波系统确保相位协变性，与输入相位无关。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在保持非定域关联的前提下，将单光子量子态与约3.5×10⁴个光子的宏观叠加态纠缠？
• RQ2 所得的微观-宏观纠缠态是否违反贝尔不等式，从而排除局部隐变量模型？
• RQ3 量子注入光参量放大器（QI-OPA）如何实现从单光子输入生成宏观叠加态？
• RQ4 随着系统尺寸增大并趋近经典领域，诸如非定域性等量子特性在多大程度上仍能保持？
• RQ5 该装置能否升级为实现两个宏观叠加态之间的纠缠，从而实现宏观-宏观非定域性？

主要发现

• 实验成功生成了宏观组分约为3.5×10⁴个光子处于叠加态的微观-宏观纠缠态。
• 测量符合图案的可见度达到97%，表明量子态制备与保持具有高保真度。
• 贝尔不等式被违反，S值为2.48 ± 0.06，超过经典极限2，证实了微观-宏观系统中存在非定域关联。
• 电子滤波系统表现出相位协变性，所有输入相位下的滤波概率P_fil保持恒定，确保了测量的公平性。
• 理论光子数概率分布（图11）证实了宏观态 |Φ⁺,⁻⟩ 的对称性和纠缠特性，主要Fock态集中在(2i+1, 2j+1)附近，其中i,j ≈ 0–10。
• QI-OPA过程实现了从单光子输入生成宏观量子态，保持了量子相干性，并支持了非定域性检验。