Experimental investigation of nonclassicality in the simplest scenario via the degrees of freedom of light

Résumé technique : Étude expérimentale de la non-classicité dans le scénario le plus simple via les degrés de liberté de la lumière

Énoncé du problème
L'article traite de la vérification expérimentale de la non-classicité dans le « scénario le plus simple », défini comme un protocole de préparation et de mesure impliquant quatre préparations et deux mesures à résultats binaires qui forment un ensemble tomographiquement complet. Bien que des cadres théoriques existent pour témoigner de la non-classicité par la contextualité de préparation et la violation de la distinction ontologique bornée pour les préparations (BODP), les tests expérimentaux reposent historiquement sur des sources de photons uniques. De plus, les expériences réalistes souffrent de bruit et d'équivalences opérationnelles imparfaites, ce qui peut occulter les signatures non classiques. Ce travail vise à tester expérimentalement les inégalités robustes au bruit dérivées de Khoshbin et al. [Phys. Rev. A 109, 032212 (2024)] en utilisant de la lumière classique, simulant ainsi les statistiques opérationnelles du scénario le plus simple sans nécessiter de ressources quantiques véritables comme les photons uniques.

Méthodologie
Les auteurs ont mis en œuvre le scénario le plus simple en utilisant deux configurations expérimentales distinctes exploitant différents degrés de liberté d'un faisceau laser classique intense (532 nm) :

1. Polarisation : Le système à deux niveaux est encodé dans la base horizontale-verticale ($|H\rangle, |V\rangle$).
2. Modes transverses : Le système est encodé à l'aide de modes spatiaux de Hermite-Gaussian de premier ordre ($|HG_{01}\rangle, |HG_{10}\rangle$).

Dans les deux configurations, quatre états spécifiques ($P_{00}, P_{01}, P_{10}, P_{11}$) ont été préparés pour approximer des vecteurs idéaux sur le cercle de Bloch. Deux mesures tomographiquement complètes (X et Y, correspondant aux bases diagonale/anti-diagonale et circulaire) ont été effectuées pour reconstruire les statistiques opérationnelles.

Pour traiter le bruit expérimental, les auteurs ont modélisé un canal de dépolarisation à l'aide d'un circuit linéaire entièrement optique. Cette configuration mélange l'état préparé avec l'état complètement mixte en contrôlant les intensités relatives des composantes polarisation-trajet, réduisant ainsi le vecteur de Bloch vers le centre.

Les données expérimentales ont été analysées par rapport à trois approches théoriques pour témoigner de la non-classicité :

• L'approche de Pusey : Test d'une inégalité de non-contextualité robuste ($S$).
• L'approche de Marvian : Quantification de l'« information inaccessible » ($C_{min}^{prep}$).
• L'approche BODP : Test de la violation de la préservation de la parité (un cas spécifique de BODP), quantifiée par $D_{min}^{P_+, P_-}$.

L'analyse repose sur l'hypothion que les mesures mises en œuvre forment un ensemble tomographiquement complet, permettant la reconstruction de la description opérationnelle effective en deux dimensions.

Résultats clés
Les résultats expérimentaux des deux configurations (polarisation et modes transverses) sont cohérents avec les prédictions théoriques :

• Seuils de bruit : Pour les expériences non perturbées, la distance entre les états préparés bruités et leurs homologues idéaux ($\delta$) a été trouvée $\leq 0,007$. Cela est largement en dessous du seuil théorique requis pour violer les trois critères de non-classicité.
• Violation des inégalités :
  • Inégalité de Pusey : Les valeurs observées pour $S(x_{ij}, y_{ij})$ varient d'environ 0,719 à 0,765, dépassant nettement la borne non contextuelle de 0.
  • Mesure de Marvian : L'information inaccessible calculée $C_{min}^{prep}$ est systématiquement $\geq 0,069$, violant la borne non contextuelle de 0.
  • Préservation de la parité/BODP : La condition $D_{min}^{P_+, P_-} > 0$ est satisfaite, indiquant une violation de la préservation de la parité et, par conséquent, de la BODP.
• Bruit de dépolarisation : Lorsqu'un bruit a été explicitement modélisé via le canal de dépolarisation, l'expérience a confirmé les seuils théoriques dérivés de [1]. Plus précisément, les violations des trois critères persistent pour $\delta \leq 0,02$, tandis que l'inégalité de Pusey seule reste violée pour $\delta \leq 0,07$.

Signification et revendications
L'article revendique plusieurs contributions significatives :

1. Émulation classique des statistiques quantiques : Ce travail démontre que des champs optiques classiques (utilisant la polarisation et les modes spatiaux) peuvent reproduire les statistiques opérationnelles du scénario le plus simple, ce qui sous-tend des avantages computationnels dans des tâches telles que les codes d'accès aléatoire quantique à 2 bits. Cela valide l'utilisation de la lumière classique pour sonder la contextualité généralisée.
2. Première investigation expérimentale de la violation de la BODP : À la connaissance des auteurs, il s'agit de la première investigation expérimentale ciblant spécifiquement la violation de la BODP (via la préservation de la parité) dans ce scénario.
3. Robustesse au bruit : Les expériences confirment que les témoins de non-classicité proposés dans [1] sont robustes face aux imperfections expérimentales et au bruit, surmontant avec succès les idéalisations de mesures sans bruit parfaites et d'équivalences opérationnelles exactes qui affectent souvent ces tests.
4. Scalabilité et indépendance de la plateforme : En utilisant deux degrés de liberté distincts, ce travail suggère que des résultats similaires peuvent être obtenus avec d'autres degrés de liberté (par exemple, trajet, temps, fréquence) et que ces protocoles sont applicables aux plateformes intégrées et à base de fibres.

Les auteurs concluent que leur mise en œuvre fournit une vérification expérimentale directe du cadre théorique de la non-classicité dans le scénario le plus simple, confirmant que la contextualité de préparation et les violations de la BODP peuvent être observées même avec des sources de lumière classique, à condition que le bruit reste en dessous de seuils spécifiques.