[论文解读] Observation of Nonlocality Sharing among Three Observers with One Entangled Pair via Optimal Weak Measurement

Mengjun Hu, Zhi‐Yuan Zhou+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2016

Quantum Mechanics and Applications参考文献 35被引用 6

一句话总结

本论文通过实验展示了，利用最优弱测量，单个纠缠光子对的非定域性可被三位观测者——爱丽丝、鲍勃1和鲍勃2——共享。通过在其中一个光子上施加可调谐的弱测量，鲍勃1能够同时保持与爱丽丝和鲍勃2的纠缠，从而实现两组CHSH-Bell不等式的双重违背，最大违背出现在F=0.6和G=0.8时，两组的S≈2.26。

ABSTRACT

Bell nonlocality plays a fundamental role in quantum theory. Numerous tests of the Bell inequality have been reported since the ground-breaking discovery of the Bell theorem.Up to now, however, most discussions of the Bell scenario have focused on a single pair of entangled particles distributed to only two separated observers. Recently, it has been shown surprisingly that multiple observers can share the nonlocality present in a single particle from an entangled pair using the method of weak measurements [Phys. Rev. Lett. {\bf 114}, 250401 (2015)]. Here we report an observation of double CHSH-Bell inequality violations for a single pair of entangled photons with strength continuous-tunable optimal weak measurements in photonic system for the first time. Our results not only shed new light on the interplay between nonlocality and quantum measurements but may also be significant for important applications such as unbounded randomness certification and quantum steering.

研究动机与目标

• 研究单个纠缠光子对的非定域性是否可超越标准的两方贝尔实验场景，在多个观测者之间共享。
• 探讨无后选择的弱测量在量子测量与非定域性分布之间的相互作用。
• 在可调谐弱测量强度的光子系统中，实验实现并验证双重CHSH-Bell不等式违背。
• 展示通过受控的非定域性共享，实现无界随机性认证和量子导引的可行性。

提出的方法

• 采用Sagnac环形干涉仪与类型-II抽样PPKTP晶体的光子系统，生成高保真度的偏振纠缠光子对。
• 利用可调耦合强度（由品质因子F和精度G定义）的弱测量协议，控制测量扰动与信息获取之间的平衡。
• 采用冯·诺依曼型测量模型，系统密度矩阵演化为ρ = Fρ₀ + (1−F)(π↑ρ₀π↑ + π↓ρ₀π↓)，以保持部分相干性与纠缠。
• 应用最优弱测量，满足F² + G² = 1，以在最小化扰动的同时最大化非定域性共享。
• 由爱丽丝和鲍勃2执行投影测量，鲍勃1执行弱测量，以检验爱丽丝–鲍勃1与爱丽丝–鲍勃2两组的CHSH不等式。
• 调节Sagnac干涉仪中的相对相位至π，以生成高保真度的 singlet 状态 |φ⁻⟩ = (|HV⟩ − |VH⟩)/√2。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过弱测量实现单个纠缠光子对在三位观测者之间的非定域性共享？
• RQ2 允许双重CHSH-Bell不等式违背的弱测量参数（F, G）的范围是什么？
• RQ3 弱测量强度如何影响与多位观测者的量子关联保持？
• RQ4 最优弱测量（F² + G² = 1）是否能在维持纠缠的同时最大化非定域性共享？
• RQ5 从CHSH违背的角度，非定域性共享在两组观测者中的定量极限是什么？

主要发现

• 实验观测到爱丽丝–鲍勃1与爱丽丝–鲍勃2两组均出现双重CHSH-Bell不等式违背，证实了三位观测者之间的非定域性共享。
• 最优弱测量参数F=0.6与G=0.8使两组的CHSH违背达到最大值S≈2.26，超过局域实在论的界限2。
• 在约束F² + G² ≤ 1下，允许双重违背的参数空间受到限制，仅当F∈(√2−1, √2/2)时，在最优条件下可实现双重违背。
• 高可见度的偏振干涉（99.70±0.06% 和 99.32±0.08%）证实了生成的纠缠态|φ⁻⟩具有高保真度。
• 实验获得原始符合计数率约19,000个/6秒，单光子计数分别约为375,000和275,000，支持稳健的贝尔测试统计。
• 结果验证了理论预测：弱测量通过平衡扰动与信息获取，可实现非定域性共享。