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

Technische Samenvatting: Experimentele Investigatie van Nonclassicaliteit in het Eenvoudigste Scenario via Vrijheidsgraden van Licht

Probleemstelling
Het artikel behandelt de experimentele verificatie van nonclassicaliteit in het "eenvoudigste scenario", gedefinieerd als een prepare-and-measure protocol bestaande uit vier preparaties en twee binaire resultaatmetingen die een tomografisch volledige verzameling vormen. Hoewel theoretische kaders bestaan voor het getuigen van nonclassicaliteit via preparatie-contextualiteit en schendingen van begrensde ontologische onderscheidbaarheid voor preparaties (BODP), hebben experimentele tests historisch gezien vertrouwd op enkelvoudige fotonbronnen. Bovendien lijden realistische experimenten onder ruis en imperfecte operationele equivalenties, wat nonklassieke signatures kan maskeren. Het werk beoogt de experimenteel te testen van de ruisbestendige ongelijkheden afgeleid in Khoshbin et al. [Phys. Rev. A 109, 032212 (2024)], met behulp van klassiek licht, waarmee de operationele statistieken van het eenvoudigste scenario worden nagebootst zonder dat er werkelijke kwantumbronnen zoals enkelvoudige fotonen nodig zijn.

Methodologie
De auteurs implementeerden het eenvoudigste scenario met behulp van twee verschillende experimentele opstellingen die gebruikmaken van verschillende vrijheidsgraden van een intense klassieke laserstraal (532 nm):

1. Polarisatie: Het tweelagig systeem werd gecodeerd in de horizontaal-verticaal basis ($|H\rangle, |V\rangle$).
2. Transversale Modi: Het systeem werd gecodeerd met behulp van eerste-orde Hermite-Gaussische ruimtelijke modi ($|HG_{01}\rangle, |HG_{10}\rangle$).

In beide opstellingen werden vier specifieke toestanden ($P_{00}, P_{01}, P_{10}, P_{11}$) geprepareerd om de ideale vectoren op de Bloch-cirkel te benaderen. Twee tomografisch volledige metingen (X en Y, overeenkomend met diagonaal/anti-diagonaal en circulaire bases) werden uitgevoerd om de operationele statistieken te reconstrueren.

Om experimentele ruis aan te pakken, modelleerden de auteurs een depolariserend kanaal met behulp van een all-optisch lineair circuit. Deze opstelling mengde de geprepareerde toestand met de volledig gemengde toestand door de relatieve intensiteiten van de polarisatie-pad componenten te controleren, waardoor de Bloch-vector effectief naar het centrum werd gekrompen.

De experimentele gegevens werden geanalyseerd tegen drie theoretische benaderingen voor het getuigen van nonclassicaliteit:

• Pusey's benadering: Het testen van een robuuste noncontextuele ongelijkheid ($S$).
• Marvian's benadering: Het kwantificeren van "ontoegankelijke informatie" ($C_{min}^{prep}$).
• BODP-benadering: Het testen voor schendingen van pariteitsbehoud (een specifiek geval van BODP), gekwantificeerd door $D_{min}^{P_+, P_-}$.

De analyse steunde op de aanname dat de geïmplementeerde metingen een tomografisch volledige verzameling vormen, wat de reconstructie van de effectieve tweedimensionale operationele beschrijving mogelijk maakt.

Belangrijkste Resultaten
De experimentele resultaten van zowel de polarisatie- als de transversale modus-opstellingen waren consistent met de theoretische voorspellingen:

• Ruisdrempels: Voor de onverstoorde experimenten werd vastgesteld dat de afstand tussen de ruizige geprepareerde toestanden en hun ideale tegenhangers ($\delta$) $\leq 0,007$ was. Dit ligt ruim binnen de theoretische drempel die vereist is om alle drie de criteria voor nonclassicaliteit te schenden.
• Schending van Ongelijkheden:
  • Pusey's Ongelijkheid: De geobserveerde waarden voor $S(x_{ij}, y_{ij})$ varieerden van ongeveer 0,719 tot 0,765, wat aanzienlijk hoger is dan de noncontextuele grens van 0.
  • Marvian's Maatstaf: De berekende ontoegankelijke informatie $C_{min}^{prep}$ was consequent $\geq 0,069$, wat de noncontextuele grens van 0 overschrijdt.
  • Pariteitsbehoud/BODP: De conditie $D_{min}^{P_+, P_-} > 0$ werd voldaan, wat wijst op een schending van pariteitsbehoud en daarmee van BODP.
• Depolariserende Ruis: Wanneer ruis expliciet werd gemodelleerd via het depolariserende kanaal, bevestigde het experiment de theoretische drempels afgeleid in [1]. Specifiek bleven schendingen van alle drie de criteria bestaan voor $\delta \leq 0,02$, terwijl Pusey's ongelijkheid alleen nog geschonden werd voor $\delta \leq 0,07$.

Significantie en Claims
Het artikel claimt enkele significante bijdragen:

1. Klassieke Emulatie van Kwantumstatistieken: Het werk toont aan dat klassieke optische velden (gebruikmakend van polarisatie en ruimtelijke modi) de operationele statistieken van het eenvoudigste scenario kunnen reproduceren, wat ten grondslag ligt aan computationele voordelen in taken zoals 2-bit quantum random access codes. Dit valideert het gebruik van klassiek licht voor het verkennen van gegeneraliseerde contextualiteit.
2. Eerste Experimentele Investigatie van BODP-schending: Naar weten van de auteurs is dit de eerste experimentele investigatie die specifiek gericht is op de schending van BODP (via pariteitsbehoud) in dit scenario.
3. Robuustheid tegen Ruis: De experimenten bevestigen dat de nonclassicaliteit-getuigen voorgesteld in [1] robuust zijn tegen experimentele imperfecties en ruis, waarbij zij succesvol de idealisaties van perfecte ruisvrije metingen en exacte operationele equivalenties overwinnen die dergelijke tests vaak teisteren.
4. Schaalbaarheid en Platformonafhankelijkheid: Door gebruik te maken van twee verschillende vrijheidsgraden, suggereert het werk dat vergelijkbare resultaten kunnen worden behaald met andere vrijheidsgraden (bijv. pad, tijd, frequentie) en dat deze protocollen toepasbaar zijn op geïntegreerde en op glasvezel gebaseerde platformen.

De auteurs concluderen dat hun implementatie een directe experimentele verificatie biedt van het theoretische kader voor nonclassicaliteit in het eenvoudigste scenario, waarmee wordt bevestigd dat zowel preparatie-contextualiteit als BODP-schendingen geobserveerd kunnen worden met zelfs klassieke lichtbronnen, mits de ruis onder specifieke drempels blijft.