[論文レビュー] Do the laws of physics prohibit counterfactual communication

Hatim Salih, Will McCutcheon+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2018

Quantum Mechanics and Applications参考文献 19被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、後選択された量子粒子を用いた反事後的通信プロトコルを提案し、アリスが発信した光子がボブに到達したことはないが、それでも彼のメッセージを伝えることができることを示している。弱い測定と一貫した歴史の理論を用いて、ボブのビットをほぼ完璧な忠実度で伝えることが可能であり、実験的に二重の抜け穴も閉じ、長年にわたり提唱されてきた反事後的通信が物理法則によって根本的につねに禁止されているという予想に挑戦する。

ABSTRACT

It has been conjectured that counterfactual communication is impossible, even for post-selected quantum particles. We strongly challenge this by proposing exactly such a counterfactual scheme where---unambiguously---none of Alice's photons that contribute to the message from Bob have been to Bob. We demonstrate counterfactuality experimentally by means of weak measurements, as well as conceptually using consistent histories---thus simultaneously closing both loopholes. Importantly, the fidelity of Alice learning Bob's bit can be made arbitrarily close to unity.

研究の動機と目的

• 反事後的通信が物理法則によって根本的につねに禁止されているという長年の予想に挑戦すること。
• 後選択された量子粒子を用いた提案されたスキームにおける検出の抜け穴と反事後的通信の抜け穴の両方を閉じること。
• 送信者から受信者へ物理的粒子が移動しなくても情報が伝わることを、実験的にも概念的にも示すこと。
• アリスがボブの古典的ビットを伝える際に、物理的粒子の移動を一切用いずに、任意に高い忠実度を達成すること。
• 弱い測定と一貫した歴史の形式的枠組みを用いて、概念的および実験的整合性を保証するためのスキームの検証を行うこと。

提案手法

• アリスの光子がメッセージを運ぶが、実際にはボブに到達しないように、重ね合わせ状態に準備された光子を後選択する量子通信プロトコルの設計。
• 系を著しく乱さずにボブへの経路に光子が存在するかどうかを間接的に観測するために弱い測定を実装。
• 反事後的通信が論理的に整合的であることを確認する概念的枠組みを提供するために、一貫した歴史の形式を適用。
• ボブと相互作用した経路をフィルタリングするために後選択を用い、メッセージに寄与するのは反事後的経路のみであることを保証。
• 測定の強さと後選択条件を調整することで、アリスがボブのビットを学ぶ忠実度をユニティに限りなく近づけるようにプロトコルをキャリブレーション。
• 反事後的性質と高い忠実度の両方を実験的に検証するための実装を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ボブからアリスへ物理的粒子が移動しなくても、反事後的通信は実現可能か？
• RQ2 後選択された量子粒子の使用により、反事後的通信の抜け穴のない実証が可能か？
• RQ3 弱い測定と一貫した歴史の形式が、実験的および概念的枠組みにおいて反事後的通信を共同で検証可能か？
• RQ4 反事後的通信の忠実度をどの程度までユニティに限りなく近づけることができるか？
• RQ5 単一のプロトコル内で、検出の抜け穴と反事後的通信の抜け穴を同時に閉じることは可能か？

主な発見

• 提案されたプロトコルは、メッセージを運ぶアリスの光子がすべてボブに到達したことはないため、反事後的通信が明確に実証された。
• アリスがボブのビットを学ぶ忠実度をユニティに限りなく近づけることができ、粒子の交換なしに高忠実度の情報伝達が確認された。
• 弱い測定は、系を著しく乱さずにボブのビットに関する情報を効果的に抽出でき、通信の反事後的性質が裏付けられた。
• 一貫した歴史の形式は、反事後的スキームの論理的整合性を概念的に裏付け、その妥当性を確認した。
• 実験により、検出の抜け穴と反事後的通信の抜け穴の両方が閉じられ、真正の反事後的通信の主張が強化された。
• これらの結果は、反事後的通信が物理法則によって根本的につねに禁止されているという一般的な予想に挑戦するものである。