[論文レビュー] A Cosmic Bell Test with Measurement Settings from Astronomical Sources

Johannes Handsteiner, Andrew S. Friedman+18 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2016

Quantum Mechanics and Applications被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、遠く離れた星のリアルタイム天体観測を用いて、ベル不等式実験における測定設定を決定する宇宙的ベルテストを実施し、局所的実在主義的影響による可能性のある抜け道を排除した。p値 ≤ 4.0 × 10⁻³³ のベル不等式の破れを報告し、その結果に影響を与える可能性のあるいかなる要因も、実験から約600年前まで遡ることを示した。

ABSTRACT

Bell's theorem states that some predictions of mechanics cannot be reproduced by a local-realist theory. That conflict is expressed by Bell's inequality, which is usually derived under the assumption that there are no statistical correlations between the choices of measurement settings and anything else that can causally affect the measurement outcomes. In previous experiments, this freedom of choice was addressed by ensuring that selection of measurement settings via conventional quantum random number generators was space-like separated from the entangled particle creation. This, however, left open the possibility that an unknown cause affected both the setting choices and measurement outcomes as recently as mere microseconds before each experimental trial. Here we report on a new experimental test of Bell's inequality that, for the first time, uses distant astronomical sources as cosmic setting generators. In our tests with polarization-entangled photons, measurement settings were chosen using real-time observations of Milky Way stars while simultaneously ensuring locality. Assuming fair sampling for all detected photons, and that each stellar photon's color was set at emission, we observe statistically significant $\gtrsim 7.31 \sigma$ and $\gtrsim 11.93 \sigma$ violations of Bell's inequality with estimated $p$-values of $ \lesssim 1.8 imes 10^{-13}$ and $\lesssim 4.0 imes 10^{-33}$, respectively, thereby pushing back by $\sim$600 years the most recent time by which any local-realist influences could have engineered the observed Bell violation.

研究の動機と目的

• 遠く離れた天体的源をランダム設定生成子として用いることで、ベルテストにおける選択の自由の抜け道を閉じること。
• いかなる仮説的な局所的実在主義的影響が、実験の前に対象の測定設定と結果の両方に影響を与えることは不可能であることを保証すること。
• 600年以上前に発せられた星からの光子を用いて、測定設定を決定するベル不等式のテストを行うこと。
• 設定選択に対する因果的影響の可能性を最小限に抑えることで、量子非局所性の実験的基盤を強化すること。
• 厳密な局所性およびフェアサンプリングの仮定の下で、ベル不等式の統計的に有意な破れを達成すること。

提案手法

• 宇宙の遠く離れたミルキーウェイの星からの光のリアルタイム観測を用いて、エンタングルド光子対の測定設定を決定した。
• 設定選択とエンタングルド粒子の生成との間に時空的分離を確保することで、局所性を強制した。
• 各星の光子の色が発生時に決定され、実験の結果とは独立していると仮定した。
• 偏光エンタングルド光子対を用い、その相関を測定することでベル不等式をテストした。
• フェアサンプリングの仮定の下で、ベル不等式の破れに関するp値を計算する統計的分析を実施した。
• 天文学的データを用いて光子の発生時刻を特定し、いかなる隠れた影響が実験開始の600年以上前までに作用していた必要があることを保証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遠く離れた天体的源をランダムナンバージェネレータとして用いることで、ベルテストにおける選択の自由の抜け道を効果的に閉じられるか？
• RQ2 どのような局所的実在主義的影響が、検出されないまま測定設定と結果に影響を与えることができるか、その時刻はどのくらい前まで遡れるか？
• RQ3 設定が星からの光子から導かれる場合、ベル不等式の破れの統計的有意性はどの程度か？
• RQ4 フェアサンプリングと、発生時に固定された星の光子の色という仮定が、テストの妥当性にどの程度影響を与えるか？
• RQ5 宇宙的源は、基礎的量子実験における信頼性があり独立したランダム性の供給源として機能できるか？

主な発見

• 実験は、p値 ≤ 1.8 × 10⁻¹³ のベル不等式の破れを達成し、有意水準は >7.31σ に相当した。
• 第二のより厳密なテストでは、p値 ≤ 4.0 × 10⁻³³ が得られ、有意水準は >11.93σ に相当した。
• 結果として、測定結果に影響を与える可能性のあるいかなる局所的実在主義的影響も、実験から約600年前まで遡ることを示した。
• 星の光子を設定生成子として用いることで、いかなる影響も光が発せられた時点で作用していた必要があり、実験開始以前にさかのぼることを保証した。
• 局所性、フェアサンプリング、発生時の固定光子色という仮定の下で、量子力学の非局所的性質を支持する結果が得られた。
• 統計的有意水準と時間的制約は、ベルテストにおける選択の自由の抜け道を閉じる上で、顕著な前進を示した。