摘 要

本文对微观世界普适的量子力学与宏观世界的经典力学之间的界限问题进行了实验探究。本文借助了固态量子存储平台，实现了晶体里宏观原子数目的激发，从而制备出了微观与宏观纠缠态，大大提升了系统的宏观度量，并且在光与物质界面的系统里实现了无漏洞的新型LG不等式的实验检验，从而提供了一个探究系统宏观实在性和宏观量子系统退相干现象的重要研究平台。

论文主要研究了LG不等式的研究进展及其检验方法。利用平移操作，引入经典的相干光脉冲，提高了系统的宏观尺度，设计了包括窄带参量光光路、AFC泵浦光路和相干态脉冲光路的实验方案，并在测量部分引入了O操作得到测量产生的破坏性，检验系统的宏观实在性。

研究结果表明：我们引入的相干态脉冲构建了宏观与微观的纠缠态，大大提高了系统的宏观性；实验检验对新型LG不等式的违背，说明搭建的基于光与物质界面系统违背了宏观实在性，为确定宏观和微观的界限提供了一种研究方法。

本文的特色：在已有的固态量子存储平台上引入经典的相干态脉冲，构建出了宏观与微观的纠缠态；利用中间时刻的O操作，检测测量产生的破坏性，检验了新型LG不等式的违背。

关键词：LG不等式；固态量子存储；测量漏洞；平移操作；O操作

Abstract

In this paper, we propose an experiment to explore the boundaries between quantum mechanics and classical mechanics, which have been applied well in microscopic world and macroscopic world, respectively. By the use of the solid-state quantum memory, we realize the micro-macro entanglement mapped in a light-matter interfaced system with macro number of atomic excitations. We further address the ‘clumsiness loophole’ and test the violation of a new type of LG inequality. Our system provides a platform for testing macroscopic realism and observing the phenomenon of quantum decoherence in macroscopic scale.

The thesis mainly studies the progress of the LG inequality and its testing method. Using the classical pulse, we improve system’s macro scale by subsequently displace single photon to thousand photons. The experiment scheme includes narrow-band photon source, AFC pump light and classical coherent pulse. An operation O is utilized to determine classical disturbance with control experiments, then with this method we can test the violation of the new type of LG inequality.

The results show that the micro-macro entanglement state we construct by using classical pulse can greatly enhance “quantumness” in our light-matter interfaced system. The violation of LG inequality implies that the system violates the macro realism and the phenomena we observe is actually in a microscopic scale.

The features of this article: introducing the classic pulse to improve the scale of our system and observing the micro-macro entanglement mapped in a light-matter interfaced system; addressing the ‘clumsiness loophole’ by determining the classical disturbance with control experiments and testing the violation of the new type of LG inequality.

Key Words：Leggett-Garg Inequalities；Solid-state quantum memory；clumsiness loophole；Displacement；O operation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 量子世界与LG不等式 1

1.2 LG不等式的发展及研究现状 3

第2章 光与物质界面系统的宏观性提升 5

2.1 光与物质界面的LG不等式检验 5

2.2 平移操作-提高宏观水平 5

2.3 O操作-解决LG不等式的漏洞 7

第3章 窄带参量光的固态量子存储 11

3.1 固态量子存储 11

3.1.1 量子存储器 11

3.1.2 AFC技术 12

3.1.3 窄带参量光 14

3.2 实验光路 15

第4章 LG不等式检验 19

4.1 固态量子存储结果 19

4.2 HOM干涉 20

4.3 LG不等式的违背 22

第5章 总结与展望 24

5.1 设计总结 24

5.2 展望 24

参考文献 25

致 谢 27

第1章 绪论

众所周知，量子理论非常成功地解释并预报了微观世界的各种现象。然而，现在发展出来的理论和实验结果仍然没有证据证明宏观经典与微观量子之间是否存在明确的界限，这一本质问题至今还没有定论，值得我们进行深入地探究。

1.1 量子世界与LG不等式

量子理论可以说是现代物理学界最重要的理论，虽然只经过了100多年的发展，但是它对微观世界的预测取得了前所未有的成功，很快就掀起了物理学中的大变革。以量子力学为基础，人类发展了包括激光器、核磁共振成像、半导体芯片和计算机等一系列高科技产业，还衍生出量子信息、量子计算等新兴学科技术；可以说，量子力学的建立极大的推进了人类的现代物质文明^[1]。科学家们经过不懈地探索，发现虽然量子力学取得了空前的成就，但是人们对于量子力学的基本诠释和适用范围仍然争论不休^[2]。

自从量子力学诞生以来，一直有问题摆在人们面前，那就是我们对宏观物体的直观感知与微观粒子的行为之间有一种不可调和的关系。人们对于这个问题争论不休，有一些人觉得这个问题的解决方案是将这个世界一分为二，一个是适用量子力学理论的微观尺度世界，一个是有经典行为的宏观水平世界。然而这个划分不可避免的会有一些任意性，因为不清楚到底如何划分，划分的标准又是什么。