[論文レビュー] Bounding the speed of `spooky action at a distance'

Juan Yin, Yuan Cao+11 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2013

Quantum Information and Cryptography被引用数 65

ひとこと要約

この実験は、16 kmの自由空間におけるもつれ状態の分配と高速な電気光学モジュレータを用いて、長距離ベルテストにおける局所性と選択自由度の抜け穴を閉じ、CHSHベル不等式の12時間にわたる連続的な違反を達成した。結果として、「遠く離れた処での不気味な作用」の速度の下限が13,800倍の光速に達することが示され、その非局所的性質が極めて高い実験的厳密性で確認された。

ABSTRACT

In the well-known EPR paper, Einstein et al. called the nonlocal correlation in quantum entanglement as `spooky action at a distance'. If the spooky action does exist, what is its speed? All previous experiments along this direction have locality loopholes and thus can be explained without having to invoke any `spooky action' at all. Here, we strictly closed the locality loopholes by observing a 12-hour continuous violation of Bell inequality and concluded that the lower bound speed of `spooky action' was four orders of magnitude of the speed of light if the Earth's speed in any inertial reference frame was less than 10^(-3) times of the speed of light.

研究の動機と目的

• 非局所的量子相関の実験的検証における局所性と選択自由度の抜け穴を閉じること。
• 長距離における空間的分離ベル不等式の破れを用いて、「遠く離れた処での不気味な作用」の最小速度を測定すること。
• 地球の自転を活用してすべての慣性系をカバーすることで、非局所的量子影響の速度に対する普遍的な下限を求める。
• 古典的説明を排除する厳密な実験条件下で、量子もつれの非局所的性質を検証すること。
• 将来的な衛星ベースの量子通信および量子力学の基礎的検証のための堅固な基盤を提供すること。

提案手法

• 中国青海省の2か所の地上局間で15.3 kmの東西方向の自由空間リンクを介して偏光もつれ光子対を分配した。
• 発光後に即座に測定基底をランダムに設定する高速な電気光学モジュレータ（EOM）を用い、選択自由度を確保し、設定選択の抜け穴を閉じた。
• 測定イベント間の時間差が基線間の光の伝播時間未満（jitter 350 ps）となるようにすることで、測定イベント間に空間的分離（空間的分離）を達成した。
• 測定および設定イベントの時空座標にローレンツ変換を適用し、すべての慣性系における非局所的影響の速度の下限を導出した。
• 方程式 (5) を用いて下限を計算した：$(V_{sa}/c)^2 \geq 1 + \frac{(1-\beta^2)(1-\rho^2)}{(\rho + |\beta \sin\theta \cdot \omega T/2|)^2}$、ここで $\rho = 6.84 \times 10^{-6}$、$\beta = 10^{-3}$、$T$ は測定周期である。
• 設定選択イベントが測定イベントおよびもつれ源の光円錐の外側に位置することを保証し、すべての慣性系で局所性の抜け穴を閉じた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 局所性と選択自由度の抜け穴が閉じられた実験的条件下で、「遠く離れた処での不気味な作用」の最小速度は何か？
• RQ2 地球の自転を用いてすべての慣性座標系をカバーする長距離東西基線で、12時間にわたる連続的な空間的分離ベルテストを実現できるか？
• RQ3 非局所的影響の速度下限は、地球の慣性系に対する相対速度および測定基線の向きにどのように依存するか？
• RQ4 長距離光子ベルテストにおいて、公平なサンプリング仮定はどの程度正当化可能であり、速度下限の有効性に影響を与えるか？
• RQ5 この実験装置は、空間的分離GHZ定理のような基礎的量子力学的原理の検証や、衛星から地上への量子通信を可能にするか？

主な発見

• 空間的分離測定設定下で12時間にわたるCHSHベル不等式の破れが連続的に達成され、非局所的量子相関が確認された。
• 地球の慣性系に対する相対速度が $10^{-3}c$ の場合、『不気味な作用』の速度下限は少なくとも $1.38 \times 10^4$ 倍の光速に達することが判明した。
• 地球の中心が慣性系に対して $0.9c$ で移動しても、速度下限は光速の7倍以上に保たれ、速度領域全体にわたり堅牢であることが示された。
• 空間的分離は、測定イベントおよび源の光円錐の外側に設定選択イベントが位置することを示す時空図により確認され、局所性と選択自由度の抜け穴が両方閉じられた。
• 地球の自転のおかげで、すべての可能な慣性系に対するエルゴディックなサンプリングが可能となり、速度下限は観測者の運動に依存せず普遍的になった。
• 高速タイムタグイングおよび長距離レーザー追尾を含む実験装置は、衛星から地上への量子通信およびマルチパーティ量子情報プロトコルに直接応用可能である。