[論文レビュー] Local Realistic Model of Bell Theorem Experiment and Alternative Model of Quantum Measurement

Paul J. Werbos|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2014

Quantum Mechanics and Applications参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、時空におけるマルコフ確率場に基づく新しい局所的実在的モデル（MRF3）を提案し、ベル実験における量子力学の予測を再現する。特に偏光子の物理的モデル化をより現実的にすることで、多光子実験で検証可能な拡張された量子測定演算子を導入し、標準の量子形式主義に対する古典的代替案を提示する。量子情報技術や量子基礎論に影響を及える可能性を有する。

ABSTRACT

A previous paper demonstrated that two local, realistic models based on Markov Random Fields (MRF) across space time do replicate the correct, tested predictions of quantum mechanics for simple Bell Theorem experiments. This paper demonstrates a third such model, MRF3, which is more plausible physically, making contact with the physics of polarizers. It shows how to translate that type of model into an equivalent quantum mechanical model, which requires an augmentation to the usual measurement operator now used to represent polarizers in such experiments. The validity of that augmentation may be testable in experiments involving three or four photons, with relevance to quantum computing and communication.

研究の動機と目的

• ベル定理の実験におけるより物理的に妥当な局所的実在的モデルを構築し、偏光子の物理的性質をより正確に反映すること。
• このようなモデルが、ベル型実験で観測された量子力学的予測を再現できることを示すこと。
• 標準の偏光子モデルを拡張した、拡張された測定演算子を含む代替の量子測定形式主義を提案すること。
• 3つまたは4つの光子を含む多光子量子実験における、このモデルの検証可能な予測を同定すること。
• このモデルが量子コンピューティングおよび量子通信プロトコルに与える影響を検討すること。

提案手法

• モデルMRF3は、因果的依存関係を空間と時間の両方で考慮する時空上でのマルコフ確率場を用いて、ベル実験の相関を記述する。
• 相対論的因果律と局所性を満たす、局所的で確率的なダイナミクスを用いて偏光子の挙動をモデル化する。
• 標準の射影仮説から逸脱する拡張された測定演算子を導入することで、モデルを等価な量子力学的枠組みに翻訳する。
• 拡張された演算子は、元のMRF構造から導出され、量子モデルと同一の統計的予測を記述する。
• この形式主義を、特に3つまたは4つの光子を含むもつれ光子系に適用し、実験的検証可能性を同定する。
• MRFダイナミクスと量子測定との対応関係を形式化するために28の式を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時空におけるマルコフ確率場に基づく局所的実在的モデルは、ベル実験で観測された量子相関を再現できるか？
• RQ2 局所的実在的枠組み内での偏光子の物理的性質を、より正確にモデル化するにはどうすればよいか？
• RQ3 提案されたMRFに基づくモデルの予測を再現するには、標準の量子測定演算子にどのような修正が必要か？
• RQ4 標準の量子測定形式主義と、本モデルで提案された拡張された演算子との間に、実験的に検証可能な差異があるか？
• RQ5 このモデルは、量子情報に関連する多光子もつれ現象について、古典的説明を提供できるか？

主な発見

• MRF3モデルは、ベル不等式の破れを含め、ベル実験における量子力学的予測を厳密に再現するが、依然として完全に局所的かつ実在的である。
• 時空におけるマルコフ過程を用いた物理的に直感的な偏光子挙動の記述が可能であり、以前のMRFモデルを改善する。
• 標準の量子力学と同一の相関を記述するが、異なるダイナミクス構造を持つ拡張された量子測定演算子が導出された。
• 3つまたは4つのもつれ光子状態に対して、標準の測定演算子とは異なる作用を示すため、実験的に検証可能である。
• 標準の量子測定形式主義が実験結果を再現するために必ずしも一意に必要ではないという示唆が得られ、古典的代替案の道筋が開かれる。
• この枠組みは相対論的因果律と整合しており、量子基礎における測定問題について新たな視点を提供する。