Significant-Loophole-Free Test of Bell’s Theorem with Entangled Photons

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さやなけいれい
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1 Significant-Loophole-Free Test of Bell s Theorem with Entangled Photons エンタングルした光子を用いた明確なループホールフリーのベルの不等式のテスト Marissa Giustina, Marijn A. M. Versteegh, Sören Wengerowsky, Johannes Handsteiner, Armin Hochrainer, Kevin Phelan, Fabian Steinlechner, Johannes Kofler, Jan-Åke Larsson, Carlos Abellán, Waldimar Amaya, Valerio Pruneri, Morgan W. Mitchell, Jörn Beyer, Thomas Gerrits, Adriana E. Lita, Lynden K. Shalm, Sae Woo Nam, Thomas Scheidl, Rupert Ursin, Bernhard Wittmann, and Anton Zeilinger Phys. Rev. Lett. 115, (2015) 平野研究室波多腰紗英 1

2 本論文の概要実験の不完全さによる抜け穴 3つのループホールを同時に閉じてベルの不等式の破れを実証ループホールがあると原理的には局所実在論でも説明できてしまう 2015 年に初めて 1 つの実験の中で 3 つのループホールを閉じる実験が行われた B. Hensen et al., Nature 526, 682 (2015). 2

3 発表の流れ導入ベルの不等式の破れ 3 つのループホールベルの不等式エンタングルメント Type-Ⅱ 自然パラメトリック下方変換サニャック干渉計本論文の実験実験装置ループホールを閉じる本論文の実験結果まとめ 3

4 ベルの不等式の破れ局所実在論 ( 局所性 )+( 実在性 ) 局所性ある地点における事象は遠く離れた他方の事象に影響を与えない実在性物理量の値は測定しなくても決まっているベルの不等式を破るこの世界は局所実在論では記述できない 2015 年度量子力学 3 4

5 3 つのループホール局所性選択の自由フェアサンプリング 5

6 3 つのループホール局所性選択の自由フェアサンプリング 6

7 3 つのループホール局所性ループホールが開いている時片側の装置の設定選択がもう一方の測定結果に影響を及ぼす Alice Bob! 測定中ループホールを閉じるために Alice と Bob を因果的に分離光速でもお互いに影響を及ぼし合えないくらい遠くに離す 7

8 3 つのループホール局所性選択の自由フェアサンプリング 8

9 3 つのループホール選択の自由装置の設定選択は自由ランダム変数 λ Alice 光源 Bob 仮定 : 変数 λが光子対発生時に決まる装置の設定選択と光子の状態の間の相互依存を禁止光子対の生成と装置の設定選択を因果的に分離ループホールを閉じる 9

10 3 つのループホール局所性選択の自由フェアサンプリング 10

11 3 つのループホールフェアサンプリングループホールが開いている時検出効率が低い相関の強い光子のみが検出されている光子検出? ループホールを閉じるために検出効率を高くする 11

12 3 つのループホール局所性選択の自由フェアサンプリング 12

13 ベルの不等式フェアサンプリングのループホールを閉じるために必要な検出効率 13

14 ベルの不等式 Alice 側 α 回転 β 回転 Bob 側検出器偏光回転 a 光源 b 偏光回転検出器 o: 水平偏光, e: 垂直偏光, u: 非検出 14

15 ベルの不等式 o: 水平偏光 e: 垂直偏光 u: 非検出 15

16 ベルの不等式局所性の仮定片側の設定選択はもう一方の結果に影響を与えない o: 水平偏光,e: 垂直偏光,u: 非検出共役な事象 16

17 ベルの不等式局所性の仮定片側の設定選択はもう一方の結果に影響を与えない o: 水平偏光 e: 垂直偏光 u: 非検出 17

18 ベルの不等式局所性の仮定片側の設定選択はもう一方の結果に影響を与えない o: 水平偏光 e: 垂直偏光 u: 非検出 18

19 ベルの不等式局所性の仮定片側の設定選択はもう一方の結果に影響を与えない o: 水平偏光 e: 垂直偏光 u: 非検出 19

20 ベルの不等式局所性の仮定片側の設定選択はもう一方の結果に影響を与えない o: 水平偏光 e: 垂直偏光 u: 非検出 20

21 ベルの不等式局所性の仮定片側の設定選択はもう一方の結果に影響を与えない o: 水平偏光 e: 垂直偏光 u: 非検出 21

22 ベルの不等式局所性の仮定片側の設定選択はもう一方の結果に影響を与えない o: 水平偏光 e: 垂直偏光 u: 非検出 22

23 ベルの不等式局所性の仮定片側の設定選択はもう一方の結果に影響を与えない o: 水平偏光 e: 垂直偏光 u: 非検出 23

24 ベルの不等式局所性の仮定片側の設定選択はもう一方の結果に影響を与えない o: 水平偏光 e: 垂直偏光 u: 非検出 24

25 ベルの不等式 o: 水平偏光,e: 垂直偏光,u: 非検出 25

26 ベルの不等式 o: 水平偏光,e: 垂直偏光,u: 非検出 26

27 ベルの不等式 27

28 ベルの不等式検出器垂直偏光 : 反射水平偏光 : 透過 28

29 ベルの不等式 29

30 ベルの不等式 30

31 エンタングルメント Alice a b Bob 測定結果に相関がある 31

32 エンタングルメント Alice a b Bob 基底を変えても測定結果に相関がある 32

33 エンタングルメント 33

34 Type-Ⅱ 自然パラメトリック下方変換直交非線形光学結晶変換光子対非線形光学結晶水平偏光と垂直偏光の光子対を発生できる 34

35 サニャク干渉計 ppktp: 周期分極反転チタン酸カリウムポンプ光の垂直成分 PBS 水平成分 : 透過垂直成分 : 反射ポンプ光の水平成分 λ/2 板 mirror λ/2 板 mirror PBS PBS ppktp ppktp mirror mirror アイドラー光シグナル光 35

36 サニャク干渉計 ppktp: 周期分極反転チタン酸カリウムポンプ光の垂直成分 PBS 水平成分 : 透過垂直成分 : 反射ポンプ光の水平成分 λ/2 板 mirror λ/2 板 mirror PBS PBS ppktp ppktp mirror mirror アイドラー光シグナル光 36

37 サニャク干渉計 ppktp: 周期分極反転チタン酸カリウムポンプ光の垂直成分 PBS 水平成分 : 透過垂直成分 : 反射ポンプ光の水平成分 λ/2 板 mirror λ/2 板 mirror PBS PBS ppktp ppktp mirror mirror アイドラー光シグナル光 37

38 サニャク干渉計 ppktp: 周期分極反転チタン酸カリウムポンプ光の垂直成分 PBS 水平成分 : 透過垂直成分 : 反射ポンプ光の水平成分 λ/2 板 mirror λ/2 板 mirror PBS PBS ppktp ppktp mirror mirror アイドラー光シグナル光 38

39 サニャク干渉計 ppktp: 周期分極反転チタン酸カリウムポンプ光の垂直成分ポンプ光の水平成分 PBS 水平成分 : 透過垂直成分 : 反射 PBS エンタングルメントが生成右回りポンプ光の偏光を調節して右回りと左回りの重みを調節左回り 39

40 実験装置場所 : ウィーンホーフブルク宮殿の地下 2 階

41 実験装置 41

42 実験装置波長と偏光の調整 VBG:volume Bragg grating POL: 偏光子 HWP:λ/2 板 QWP:λ/4 板 L: レンズ M: ミラー DM: ダイクロイックミラー FC: ファイバコネクタ BPF: バンドパスフィルター POLC: 手動の偏光制御器 PBS: 偏光ビームスプリッターサニャック干渉計エンタングルメントの生成 42

43 設定選択実験装置検出器 FC: ファイバコネクタ L: レンズ HWP:λ/2 板 EOM: 電気光学変調器 FPGA:field-programmable gate array RNG: 乱数生成器 TTM: 時間タグモジュール TES: 超伝導転移端センサー Clk: クロック入力 APD: アバランシュフォトダイオード SQUID: 超伝導量子干渉素子垂直偏光 : 反射水平偏光 : 透過 43

44 設定選択実験装置検出器 FC: ファイバコネクタ L: レンズ HWP:λ/2 板 EOM: 電気光学変調器 FPGA:field-programmable gate array RNG: 乱数生成器 TTM: 時間タグモジュール TES: 超伝導転移端センサー Clk: クロック入力 APD: アバランシュフォトダイオード SQUID: 超伝導量子干渉素子超伝導の転移温度に素子を設定微妙な温度変化で抵抗が大きく変化垂直偏光 : 反射水平偏光 : 透過高い検出効率を実現! 44

45 ループホールを閉じる選択の自由 Alice 選択の自由のループホールを閉じた Bob 装置の設定選択光子対が放出 (λ の起源 ) 装置の設定選択 45

46 ループホールを閉じる局所性 Alice 局所性のループホールを閉じた Bob 測定測定装置の設定選択装置の設定選択光子対が放出 46

47 ループホールを閉じるフェアサンプリング実験データの中で観測 Alice 1 2 Bob 各々の結果 +( 検出 ) または 0( 非検出 ) を記録 47

48 ループホールを閉じるフェアサンプリング 48

49 ループホールを閉じるフェアサンプリングフェアサンプリングのループホールを閉じた必要な検出効率約 75% 以上 Alice 78.6%, Bob 76.2% P. H. Eberhard Phys. Rev. A 47, R747(1993) 49

50 ループホールを閉じる +: 検出 0 : 非検出 50

51 実験結果ベルの不等式を破った! 51

52 考察高い統計有意性でベルの不等式の敗れを実証局所実在論を強く否定 52

53 まとめ 3 つのループホールを 1 つの実験の中で全て閉じた上でベルの不等式 (CH-Eberhard type 不等式 ) の破れを実証局所性のループホール Alice と Bob を因果的に分離することで閉じた選択の自由のループホール光子対の生成と装置の設定選択を因果的に分離することで閉じたフェアサンプリングのループホール検出効率を高くすることで閉じた今までで最も強く局所実在論を否定 53

54 光円錐空間 54

55 電場振幅疑似位相整合周期的に分極を反転させて振幅を増幅させる位相整合 (a) (b) 伝搬距離周期分極反転 (a) 周期分極反転によって疑似位相整合した場合 (b) 分極反転がない場合振幅が減衰し始めるタイミングで分極を反転 55

56 Eberhard 状態 56

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Microsoft Word - note02.doc 年度物理化学 Ⅱ 講義ノート. 二原子分子の振動. 調和振動子近似モデル分子 = 理想的なバネでつながった原子 r : 核間距離, r e : 平衡核間距離, : 変位 ( = r r e ), k f : 力の定数ポテンシャルエネルギー ( ) k V = f (.) 古典運動方程式 [ 振動数 ] 3.3 d kf (.) dt μ : 換算質量 (m, m : 原子, の質量 ) mm