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Experimental non-classicality of an indivisible quantum system
Radoslaw Lapkiewicz
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Betreuer*in
Anton Zeilinger
DOI
10.25365/thesis.22527
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29197.99049.912569-4
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Wie von J. S. Bell gezeigt wurde, können bestimmte quantenmechanische Vorraussagen über Vielteilchensystemen nicht durch Theorien mit lokalen verborgenen Variablen beschrieben werden. Im Experiment wurden jedoch immer die quantenmechanischen Vorhersagen durch mehrere Experimente bestätigt. Bell, Kochen und Specker (BKS) konnten zudem zeigen, dass bereits ein einzelnes quantenmechanisches System nicht mit Hilfe nicht-kontextueller verborgener Variablen korrekt beschrieben werden kann. Basierend auf den Ideen von BKS wurden in letzter Zeit ebenso Ungleichungen entwickelt, die den Unterschied der Quantenmechanik zu einer Theorie mit nicht-kontextuellen verborgenen Variablen deutlich machen. Diese wurden bereits an verschiedenen Systemen, wie z.B. Ionen und Photonen, experimentell getestet. Im Gegensatz zu diesen Experimenten, welche Qubit Paare verwendeten, konnten wir hingegen die Verletzung einer Ungleichung mit einzelnen photonischen Qutrits beobachten. Unserem Wissen nach ist dies die erste experimentelle Falsifizierung von Modellen verbogener Variablen an einem System welches grundsätzlich keine Verschränkung zulässt.
Im ersten Kapitel der hier vorgelegten Arbeit werden die theoretischen Grundlagen sowie deren Ergebnisse präsentiert: das BKS Theorem in seinen verschiedenen Varianten. Zunächst werden die notwendigen Ideen eingeführt, die Hintergründe des Theorems beleuchtet und die mathematische Darstellung formuliert. Anschließend werden die auf dem BKS Theorem beruhenden Experimente besprochen. Zum Schluss wird die von Klyachko, Can, Binicioglu und Shumovsky (KCBS) entwickelte Ungleichung genauer behandelt, da diese unserem Experiment zu Grunde liegt.
Im zweiten Kapitel werden die experimentellen Konzepte, welche es uns ermöglichen die KCBS Ungleichung mit einzelnen Photonen zu testen, erläutert. Wir zeigen den Weg von der mathematischen Idee hin zur Physik und dadurch wie mit einem einfachen optischen System die Geometrie des BKS Theorems realisiert werden kann.
Im dritten Kapitel wird der experimentelle Aufbau zur Überprüfung der KCBS Ungleichung präsentiert. Hierfür wird zum einen auf die experimentelle Erzeugung von Einzelphotonen eingegangen und zum anderen die Entstehung des tatsächlichen Aufbaus ausgehend von mathematischen Konzepten erklärt.
Im vierten Kapitel werden die Methoden zur Datenaufnahme und Auswertung erläutert. Wir konnten ein Wert von -3.893(6) gemessen. Dieser liegt 120 Standardabweichungen unterhalb der klassischen Grenze von -3.081(2) und stell somit eine deutliche Verletzung des klassischen Limits dar. Abschließend werden systematische Effekte diskutiert und auf deren Bedeutung und den Umgang mit ihnen eingegangen.
Abstract
(Englisch)
J.S. Bell showed that local hidden variables cannot explain certain quantum mechanical predictions for composite systems. Those predictions have been confirmed by many experiments. Theorems due to Bell, Kochen and Specker (BKS) say that even single quantum systems do not allow descriptions in terms of non-contextual hidden variables. Recently, inequalities, following from the BKS ideas, were derived and some of them were tested experimentally with ions and photons. In contrast to previous experiments in which pairs of qubits were used, we observed a violation of an inequality with single photonic qutrits. To our knowledge, this is the first experiment falsifying hidden variable models with a system which does not allow entanglement.
In the first chapter we present the theoretical notions and results most relevant to our work: the BKS theorem in its various versions. Initially, we introduce the necessary concepts, discuss the background of the theorem, and formulate it. Later, we discuss the experiments rooted in the BKS theorem. Finally, we present the inequality due to Klyachko, Can, Binicioglu and Shumovsky (KCBS).
In the second chapter we describe an experimental scheme allowing us to test this inequality with single photons. We take a step, from mathematics to physics, showing how a simple optical system can realise the geometry of a BKS proof.
The third chapter presents the experimental setup that we used to test the KCBS inequality. We describe how we generated single photons for the experiment and explain how we obtained the physical design starting from the conceptual scheme. After discussing some technical issues we give the mathematical description of the physical setup.
In the fourth chapter we describe how we used the setup to acquire the data and how we processed the data to obtain the final result i.e. -3.893(6) for the left hand side of the KCBS inequality, which lies 120 standard deviations below the classical bound of -3.081(2). We also discuss the systematic effects and how we deal with them.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
quantum mechanics hidden variable theories photon Kochen-Specker theorem Bell inequality quantum optics optics experiment
Schlagwörter
(Deutsch)
Quantenmechanik verborgene Variablen Theorien Photon Kochen-Specker Theorem Bell Ungleichung Quantenoptik Optik Experiment
Autor*innen
Radoslaw Lapkiewicz
Haupttitel (Englisch)
Experimental non-classicality of an indivisible quantum system
Paralleltitel (Deutsch)
Experimenteller Nachweis nicht-klassischen Verhaltens eines unteilbaren Quantensystems
Publikationsjahr
2012
Umfangsangabe
90 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Robert Boyd ,
Gerd Leuchs
Klassifikation
33 Physik > 33.23 Quantenphysik
AC Nummer
AC10900194
Utheses ID
20116
Studienkennzahl
UA | 791 | 411 | |