[論文レビュー] Can future observation influence the past of entangled neutral K-mesons?

J. Bernabéu, A. Di Domenico|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2019

Quantum and electron transport phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、未来の測定がエンタングルされた中性K中間子の片方に対して行われることで、その相手の過去の状態が後から影響を受けることを示しており、崩壊した中間子の状態が将来の観測に依存することを確認している。$φ$-ファクトリーにおける時間順序の崩壊分布を用いて、真の量子的逆行的因果関係効果が明らかになった。大規模なデ coherent 時間では、最初に崩壊する状態は常に $K_S$ であり、純粋な $K_S$ ビームを特徴的な実験的準備が可能となる。

ABSTRACT

The Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) entanglement of a neutral K-meson (kaon) pair enjoys the peculiar quantum behaviour of mixing, charge-parity ${\cal CP}$ violation (${\cal C}$ - charge conjugation, ${\cal P}$ - parity) and two non-orthogonal eigenstates of definite time evolution $K_L$ and $K_S$ with very different lifetimes. The dynamics of this strange entanglement, experimentally accessible at the $\phi$-factory, makes possible the search for novel phenomena not accessible in any other system, i.e. at interference times and at decoherence times of the single partners after their disentanglement, in order to unveil the nature of the correlation between the two neutral kaons. Until now, the studies have been concentrated on the single kaon intensity distribution between the two decay times $t_1$ and $t_2$ with $\Delta t = t_2 - t_1 > 0$. Here we show that the entire two single time distributions, before each decay, are physical in both senses: past to future, leading to the state of the living partner at time $t_2$ from the observation of the first decay channel at $t_1$, and future to past, leading to the past state of the decayed kaon at time $t_1$ from the observation of the second decay channel at $t_2$. Our results thus demonstrate an affirmative answer to the title: it does, the past decayed state depends on the result of the future measurement for the living partner. This novel effect is truly observable through the first decay time distributions. Besides the implications for quantum physics for all $\Delta t$, at large decoherence times the resulting first decayed state is always $K_S$, providing a genuine tag of this kaon state in the decoherence region, and a unique and important experimental tool to prepare a pure $K_S$ beam.

研究の動機と目的

• 未来の観測がエンタングルされた中性K中間子の過去の状態に影響を与えるかどうかを調査し、古典的な因果関係の概念に挑戦すること。
• CP対称性の破れと混合を示す系における時空対称な量子相関の物理的実在性を探ること。
• エンタングルされた中間子の二時刻分布において、過去から未来への推論と未来から過去への推論の両方が物理的に妥当であることを示すこと。
• $φ$-ファクトリーの枠組みにおいて、デ coherent 時間を用いた $K_S$ 状態の準備のための新たな実験的シグネチャを特定すること。

提案手法

• $φ$-ファクトリーで生成されたエンタングルされた $K^0$ と $\overline{K}^0$ ペアの二時刻崩壊分布を分析すること。
• 時間順序の崩壊系列 $t_1 < t_2$ を用いて、過去から未来への（前向き）および未来から過去への（後向き）状態推論をモデル化すること。
• 寿命が異なり、CP対称性の破れを伴う非直交な $K_L$ と $K_S$ の固有状態に対する量子力学的形式を適用すること。
• 第二の崩壊結果を条件とした最初の崩壊時刻の分布を計算し、逆行的因果関係の依存性を明らかにすること。
• 最初の崩壊状態の統計的挙動を抽出するために、大規模なデ coherent 時間の極限に注目すること。
• 最初の崩壊状態が初期エンタングル状態に依存せず常に $K_S$ となる条件を導出すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エンタングルされた中間子の片方に対する将来の測定が、相手の中間子の過去の状態に影響を与えることができるか？
• RQ2 エンタングルされた中間子の二時刻崩壊分布において、過去から未来への推論と未来から過去への推論の両方が物理的に妥当であるか？
• RQ3 大規模なデ coherent 時間において、最初に崩壊する状態が初期エンタングル状態に依存せず常に $K_S$ であるか？
• RQ4 この逆行的因果関係効果は、最初の崩壊時刻分布を通じて実験的に観測可能か？
• RQ5 デ coherent 時間の効果を用いて、純粋な $K_S$ ビームを特徴的に準備するための独自の実験的ツールは存在するか？

主な発見

• $t_2$ における生き残りの相手に対する将来の測定が、$t_1$ における崩壊した中間子の過去の状態を逆行的に決定づけることができ、真の量子的逆行的因果関係効果を確認した。
• 二時刻分布全体（$t_1$ と $t_2$ の両方を含む）は、時間の前向き（過去から未来）と後向き（未来から過去）の両方向において物理的に意味を持つ。
• 大規模なデ coherent 時間において、最初に崩壊する状態は、初期エンタングル状態にかかわらず常に $K_S$ である。
• この結果により、時間遅延観測を用いた純粋な $K_S$ ビームの特徴的な実験的準備法が、唯一の方法として得られた。
• この効果は最初の崩壊時刻分布を通じて観測可能であり、CP対称性の破れを示す系における量子相関の新たなプローブを提供する。
• 本研究は、量子力学が、もはやエンタングルメントが解けた後でも、非古典的かつ時空対称な影響をエンタングルされた中間子間で許容することを確認した。