[论文解读] Hidden nonmacrorealism: reviving the Leggett-Garg inequality with stochastic operations

Huan-Yu Ku, Hao‐Cheng Weng+6 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 84被引用 6

一句话总结

本文引入了‘隐藏的非宏观实在性通道’——这类量子通道最初不违反Leggett-Garg不等式（LGI），但在经过随机预操作和后操作（SPPOs）后可产生违反。关键贡献在于证明了此类SPPOs能够揭示此前被认为具有宏观实在性的通道中隐藏的非宏观实在性动力学，实验上通过光子qubit在振幅阻尼通道中的实现进行了验证。

ABSTRACT

The Leggett-Garg inequality (LGI) distinguishes nonmacrorealistic channels from macrorealistic ones by constraining the experimental outcomes of the underlying system. In this work, we propose a class of channels which, initially, cannot violate the LGI (in the form of the temporal Bell inequality) but can violate it after the application of stochastic pre- and post- operations (SPPOs). As a proof-of-principle experiment, we demonstrate the stochastic pre- and post- operations in an amplitude-damping channel with photonic qubits. We denote the above phenomenon as hidden nonmacrorealistic channels. We also discuss the relationship between this hidden nonmacrorealistic channels (in terms of the temporal Clauser-Horne-Shimony-Holt (CHSH) inequality) and the strongly nonlocality-breaking channel, which breaks the hidden spatial CHSH nonlocality for arbitrary states. In general, if the channel satisfies hidden nonmacrorealism, it is not a strongly CHSH nonlocality-breaking channel.

研究动机与目标

• 识别最初为宏观实在性但可在随机操作下变为非宏观实在性的量子通道。
• 开发并实验演示一种利用随机预-后操作（SPPOs）激活非宏观实在性的协议。
• 阐明隐藏非宏观实在性与强CHSH非局域性破坏通道之间的关系。
• 通过LGI实现对量子网络中量子性的认证。

提出的方法

• 提出一类初始满足宏观实在性的量子通道，但在SPPO后可违反时间CHSH不等式。
• 应用随机预-后操作（SPPOs）以改变通道动力学并揭示隐藏的非宏观实在性。
• 使用光子qubit在振幅阻尼通道中实现SPPO协议，作为原理验证实验。
• 采用时间贝尔不等式（CHSH）作为非宏观实在性的检验标准。
• 推导出通道表现出隐藏非宏观实在性但并非强CHSH非局域性破坏的理论条件。
• 通过实验实现与时间关联的测量，验证理论结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可通过对初始不违反LGI的量子通道施加SPPOs来激活其LGI违反？
• RQ2 隐藏非宏观实在性与‘强CHSH非局域性破坏’特性之间存在何种关系？
• RQ3 SPPOs如何改变量子通道的非宏观实在性内容？
• RQ4 隐藏非宏观实在性是否可在光子系统中实验观测到？
• RQ5 隐藏非宏观实在性的存在是否意味着通道并非强非局域性破坏？

主要发现

• 初始不违反LGI的振幅阻尼通道，在施加SPPOs后表现出LGI违反，证实了隐藏非宏观实在性的存在。
• 实验测得的时间CHSH不等式违反值达到2.42 ± 0.04，超过经典界限2。
• 本研究确立了具有隐藏非宏观实在性的通道不可能是强CHSH非局域性破坏通道，表明两者具有根本性差异。
• SPPOs能有效揭示在标准测量下看似宏观实在性的通道中隐藏的非宏观实在性动力学。
• 结果表明，通过随机操作可激活时间关联中的量子性，从而支持新型认证协议的开发。
• 研究结果支持在量子网络中使用LGI对量子性进行认证，即使在通道看似经典的情况下亦成立。