[論文レビュー] Astronomical random numbers for quantum foundations experiments

Calvin Leung, Amy Brown+4 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Jun 7, 2017

History and Developments in Astronomy被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、星およびクェasarからの単一光子検出を用いて、約20ナノ秒の遅延でランダムビットを生成する望遠鏡ベースの天文学的乱数生成器を提示する。星からのビットレートは最大約10⁶ Hz/m²、クェasarからのビットレートは約10²–2×10³ Hz/m²を達成し、統計的予測可能性が低く、十分な天文学的起源があるため、ベルテストにおける選択自由の自由度の抜け穴を閉じることを示した。

ABSTRACT

Photons from distant astronomical sources can be used as a classical source of randomness to improve fundamental tests of quantum nonlocality, wave-particle duality, and local realism through Bell's inequality and delayed-choice quantum eraser tests inspired by Wheeler's cosmic-scale Mach-Zehnder interferometer gedankenexperiment. Such sources of random numbers may also be useful for information-theoretic applications such as key distribution for quantum cryptography. Building on the design of an "astronomical random-number generator" developed for the recent "cosmic Bell" experiment [Handsteiner et al., Phys. Rev. Lett. 118, 060401 (2017)], in this paper we report on the design and characterization of a device that, with 20-nanosecond latency, outputs a bit based on whether the wavelength of an incoming photon is greater than or less than 700 nm. Using the one-meter telescope at the Jet Propulsion Laboratory (JPL) Table Mountain Observatory, we generated random bits from astronomical photons in both color channels from 50 stars of varying color and magnitude, and from 12 quasars with redshifts up to $z = 3.9$. With stars, we achieved bit rates of $\sim 1 imes 10^6$ Hz / m$^2$, limited by saturation for our single-photon detectors, and with quasars of magnitudes between 12.9 and 16, we achieved rates between $\sim 10^2$ and $2 imes 10^3$ Hz /m$^2$. For bright quasars, the resulting bitstreams exhibit sufficiently low amounts of statistical predictability as quantified by the mutual information. In addition, a sufficiently high fraction of bits generated are of true astronomical origin in order to address both the locality and freedom-of-choice loopholes when used to set the measurement settings in a test of the Bell-CHSH inequality.

研究の動機と目的

• 基礎的量子力学実験のためのリアルタイムで天文学的起源を持つ乱数の開発。
• 遠く離れた宇宙的源を用いて測定設定を設定することで、ベル不等式テストにおける選択自由の自由度の抜け穴を閉じること。
• 星およびクェasarからの単一光子検出を、高品質なランダムネスの源として使用可能であることを実証すること。
• 統計的予測可能性を定量化し、量子基礎実験に十分な天文学的起源を持つことを保証すること。
• ホイーラーの Gedankenexperiment にインspiredされた宇宙規模の遅延選択量子消去実験を可能にすること。

提案手法

• JPLのテーブル・マウンテン観測所に設置された1メートル望遠鏡を用いて、天体源からの光子を収集する。
• 光子の波長を約700 nmと比較し、その波長がこの閾値より低いか高いかに基づいてビット（0または1）を出力する。
• 赤色および青色チャンネルに設置された単一光子検出器が、約20ナノ秒の時間分解能でタイムスタンプ付きの光子検出を記録する。
• 検出器のデッドタイム補正と、アトモスフィア的視界の影響を、アライメントキャリブレーションと信号処理により補正する。
• 統計的予測可能性は、ビットストリームと過去のシーケンス間の相互情報量を用いて定量化する。
• 測定設定と潜在的隠れ変数の間の相関を最小限に抑えるためのキャリブレーションにより、ランダムネスの天文学的起源を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遠く離れた星およびクェasarからの光子は、量子基礎実験のための実用的で有効なランダムビット源として機能するか？
• RQ2 大気的影響および検出器の不完全性が、生成されたビットストリームに統計的予測可能性をどれほど導入するか？
• RQ3 天文学的源から導かれるランダムネスは、ベルテストにおける選択自由の自由度の抜け穴を閉じられるか？
• RQ4 実際の観測条件下で、星およびクェasarからの実現可能なビットレートはどの程度か？
• RQ5 予測可能性および天文学的起源の観点から、ビットストリームの品質は、抜け穴のない量子実験に必要な基準を満たしているか？

主な発見

• 検出器の飽和に制限され、星からのビットレートは約1×10⁶ Hz/m²を達成した。
• マグニチュード12.9～16のクェasarでは、明るさおよび赤方偏移に応じて、ビットレートが約10²～2×10³ Hz/m²の範囲で変動した。
• 相互情報量を用いた統計的予測可能性の定量化により、特に明るいクェasarでは低予測可能性であることが示され、量子基礎実験に適したビットストリームであることが確認された。
• 真の天文学的起源を持つビットの割合が十分に高かったため、ベル-CHSH不等式テストにおける選択自由の自由度の抜け穴を解消できることが示された。
• 条件付き確率解析により、高カウントレートで大気的視界および検出器のアライメントずれに起因して予測可能性が約10⁴あたり3部分上昇することが判明したが、アライメントとキャリブレーションによりこれを是正した。
• 複数の夜にわたり安定した性能を示し、一貫した光学的アライメントと低ドリフトを維持したため、長時間の量子実験に適していることが裏付けられた。