[论文解读] 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 1

一句话总结

该论文通过在单光子系统中实验测试了量子到经典过渡的Leggett-Garr不等式（LGIs），表明LGIs的量子非定域性破坏——指示非经典行为——随着双折射介质引起的退相干增强而减弱。结果表明，在相干演化下破坏程度最大，从而基于违反LGIs的能力，确立了经典实在论的可测量边界。

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.

研究动机与目标

• 使用Leggett-Garg不等式研究量子力学与经典力学之间的边界。
• 在受控退相干条件下，检验宏观实在论和非侵入性测量的有效性。
• 实验展示退相干如何影响LG不等式的破坏。
• 基于LGIs破坏，建立从量子行为到经典行为过渡的定量度量。

提出的方法

• 实验使用制备在叠加态的单光子来模拟随时间演化的系统。
• 利用双折射介质模拟环境相互作用并诱导受控退相干。
• 在多个时间步长进行测量以评估Leggett-Garg不等式。
• 分析系统的演化是否违反LG不等式，违反信号表示非经典行为。
• 将破坏程度量化为与环境相互作用时间的函数。
• 基于宏观实在论和非侵入性测量的理论预测，用于与实验结果比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在单光子系统中，退相干在多大程度上减少了Leggett-Garg不等式的破坏？
• RQ2 是否能通过LGIs破坏实验观测到从量子到经典行为的过渡？
• RQ3 在LGIs破坏方面，相干演化与退相干演化相比如何？
• RQ4 违反LG不等式的能力是否可作为非经典行为的可靠指标？
• RQ5 与环境相互作用时间与通过LGIs破坏测量的量子退相干损失之间存在何种关系？

主要发现

• 在单光子的相干演化过程中，Leggett-Garg不等式达到最大破坏。
• 随着在双折射介质中相互作用时间的增加，LGIs破坏程度逐步降低。
• 破坏程度的降低与环境中诱导的退相干强度相关。
• 实验结果证实，LGIs破坏对退相干敏感，为量子到经典过渡提供了可测量的特征。
• 违反LG不等式的能力作为经典实在论描述的定量边界。
• 研究结果支持宏观实在论和非侵入性测量与量子力学在相干动力学下不相容的观点。