[論文レビュー] Empty waves, many worlds, parallel lives, and nonlocal decision at detection

Antoine Suárez|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2012

Quantum Mechanics and Applications参考文献 8被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、検出時に結果が決定するという仮定のもと、マハチソン・ゼンダ干渉計における単一光子干渉に基づく、局所性の抜け目のない非局所性実験を提案する。各事象におけるエネルギー保存則が非局所的調整を要することを示し、非局所性が量子力学の根本的性質であることを示唆する。これは、ド・ブロイの「空波」のような局所的隠れ変数理論を排除し、非局所性を否定するならば「多数の世界」解釈が不可避であることを示唆する。

ABSTRACT

I discuss an experiment demonstrating nonlocality and conservation of energy under the assumption that the decision of the outcome happens at detection. The experiment does not require Bell's inequalities and is loophole-free. I further argue that the local hidden variables assumed in Bell's theorem involve de Broglie's "empty waves", and therefore "many worlds" achieves to reconcile locality with the violation of Bell's inequalities. Accordingly, the discussed experiment may be the first loophole-free demonstration of nonlocality.

研究の動機と目的

• ベルの不等式や抜け目に依存せずに、単一光子干渉実験における非局所性を示す。
• 結果の決定が検出時に起こるという仮定が、量子力学における非局所性を根本的原則として導くことの根拠を提示する。
• 空間的に分離された検出器間で、個々の量子事象におけるエネルギー保存則が非局所的調整を必要とすることを示す。
• エネルギー保存則に反するため、ド・ブロイの「空波」のような局所的隠れ変数理論が、個々の事象におけるエネルギー保存則と整合しないことから、その理論の非現実性を示す。
• 非局所性がベル型非局所性の根源であることを示し、それは検出時の非局所的決定から生じるのではなく、独立した現象ではないことの根拠を提示する。

提案手法

• 50-50ビームスプリッターに単一光子が入射し、空間的に分離された領域に等距離に配置された2つの検出器を備えた gedanken-experiment を設計する。
• 結果（どの検出器がクリックするか）がビームスプリッターでなく、検出時に決定されると仮定し、事前に存在する隠れ変数や軌道を排除する。
• 検出器をビームスプリッターに近づける逆説的状況を分析し、『検出時に選択』という仮定のもとでは、事前の結果についての予測が一切できないことを示す。
• ド・ブロイ＝ボームモデルと対比する。このモデルでは「空波」が代替経路を通過し、逆説的状況でも検出結果の予測が可能になる。
• エネルギー保存則を基準とする：もし収束が各検出器で局所的かつ独立に起こるならば、25%の事象で2つのクリックまたはクリックなしの状態が生じ、個々の事象におけるエネルギー保存則に反する。
• 結論として、エネルギー保存則を個々の事象で保つには、検出時に非局所的調整が不可欠であり、非局所性が根本的であることを証明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ベルの不等式やエンタングルメントに依存せずに、単一光子干渉実験で非局所性を示すことは可能か？
• RQ2 結果の決定が検出時に起こると仮定した場合、非局所性を排除すればエネルギー保存則に違反するのか？
• RQ3 ド・ブロイ＝ボームの「空波」は、波動関数の収束が検出時に起こる標準的量子力学的見解の妥当な代替となるか？
• RQ4 隠れ変数を持たない局所的理論が、空間的に分離された検出事象におけるエネルギー保存則と非局所的相関を説明できるか？
• RQ5 非局所性は単一粒子干渉においてどのような基礎的役割を果たし、ツァイレルソン限界や量子力学の構造とどのように関係するのか？

主な発見

• エネルギー保存則が個々の事象で成立するためには、空間的に分離された検出器間で非局所的調整が必要であり、本実験は非局所性の抜け目のない証明を提供する。
• 結果の決定が検出時に起こるならば、非局所性は単一粒子干渉においてもエネルギー保存則を保つために不可欠である。
• 局所的収束という仮定では、1つの事象で2つのクリックまたはクリックなしの状態が25%の確率で生じ、エネルギー保存則に反する。これにより、局所的収束モデルは排除される。
• ド・ブロイの「空波」は局所的隠れ変数理論と同等であり、エネルギー保存則の議論によって排除される。非局所性を否定するならば、「多数の世界」解釈が唯一一貫した代替となる。
• 検出時の非局所性がベル型非局所性の根源である。ベルの非局所性は、独立した現象ではなく、検出時に生じるより深い非局所的決定から生じるものである。
• BB84量子鍵配送プロトコルは、本実験で示された非局所的メカニズムに依存しており、このような非局所性がなければ古典的に再現できない。