Research Abstract


Witnessing Quantum Coherence: from solid-state to biological systems

2012年11月26日 Scientific Reports 2 : 885 doi: 10.1038/srep00885

量子コヒーレンスは、量子系の主要な非古典的特徴の1つである。レゲット-ガーグ不等式(Leggett-Garg inequality:LGI)や量子トモグラフィーなどのプロトコルを用いて、所与の系における量子コヒーレンスや量子ダイナミクスの存在を検証できるが、固有の「量子性」を明確に検出することは、実験の実現可能性や効率の点で、特に複雑な系において、依然として深刻な困難に直面している。今回我々は、系の状態に影響を及ぼさない無侵襲測定や完全なトモグラフィーを必要とせずに、時間領域の量子コヒーレンスと量子ダイナミクスを効率的に検証する2つの「量子ウイットネス(quantum witness)」を提示する。我々は、固体ナノ構造体や生物系における量子輸送を含むいくつかの物理的な事例を用いて、このような量子ウイットネスがロバストで、その検出窓における分解能がLGIより高いことを示す。これらのロバストな量子性を証明する指標は、複雑な系の量子コヒーレンスを明確に検証する際の実験的なオーバーヘッドを減らすのに役立つ可能性がある。

Che-Ming Li1, 2, 3, Neill Lambert3, Yueh-Nan Chen4, Guang-Yin Chen4 & Franco Nori3, 5

  1. 国立成功大学 工程科学系(台湾)
  2. 国立成功大学 超級電脳計算研究中心(台湾)
  3. 独立行政法人 理化学研究所 基幹研究所
  4. 国立成功大学 物理学系&国家理論科学研究中心(台湾)
  5. ミシガン大学 物理学部(米)
Quantum coherence is one of the primary non-classical features of quantum systems. While protocols such as the Leggett-Garg inequality (LGI) and quantum tomography can be used to test for the existence of quantum coherence and dynamics in a given system, unambiguously detecting inherent “quantumness” still faces serious obstacles in terms of experimental feasibility and efficiency, particularly in complex systems. Here we introduce two “quantum witnesses” to efficiently verify quantum coherence and dynamics in the time domain, without the expense and burden of non-invasive measurements or full tomographic processes. Using several physical examples, including quantum transport in solid-state nanostructures and in biological organisms, we show that these quantum witnesses are robust and have a much finer resolution in their detection window than the LGI has. These robust quantum indicators may assist in reducing the experimental overhead in unambiguously verifying quantum coherence in complex systems.