[論文レビュー] Test to separate quantum theory from non-signaling theories

Rui Chao, Ben W. Reichardt|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2017

Quantum Mechanics and Applications参考文献 39被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、非局所的相関の非トランスポート性を活用することで、量子力学と古典的非信号理論を区別するマルチパーティーゲームテストを提案する。三者によるCHSHに類似したゲームにおいて、GHZ状態を用いることで、量子デバイスは二者間の非信号相関のみを用いる古典的デバイスよりも5.1%高い成功確率を達成する。これは、実験的に検証可能な形で、量子もつれがこのような古典的資源よりも根本的に優れていることを示している。

ABSTRACT

A Bell test separates quantum mechanics from a classical, local realist theory of physics. However, a Bell test cannot separate quantum physics from all classical theories. Classical devices supplemented with non-signaling correlations, e.g., the Popescu-Rohrlich "nonlocal box," can pass a Bell test with probability at least as high as any quantum devices can. After all, quantum entanglement does not allow for signaling faster than the speed of light, so in a sense is a weaker special case of non-signaling correlations. It could be that underneath quantum mechanics is a deeper non-signaling theory. We present a test to separate quantum theory from powerful non-signaling theories. The test extends the CHSH game to involve three space-like separated devices. Quantum devices sharing a three-qubit GHZ state can pass the test with probability 5.1% higher than classical devices sharing arbitrary non-signaling correlations between pairs. More generally, we give a test that k space-like separated quantum devices can pass with higher probability than classical devices sharing arbitrary (k-1)-local non-signaling correlations.

研究の動機と目的

• 量子力学が根本的に古典的非信号理論よりも優れているかどうかという未解決の問いに応えること。
• 量子の限界を超える非信号相関を除外できないベルテストのギャップを埋めること。
• 量子もつれと二局所的非信号資源を分離する、実験的に検証可能な堅牢なゲームを設計すること。
• 任意の二者間非信号相関の組み合わせですら、非信号相関をシミュレートできないことの証明。

提案手法

• 三量子ビットのGHZ状態を用いて、CHSHゲームを三者に拡張する。
• チャーリーがX基底またはZ基底で測定するゲームを設計し、アリスとボブがどの基底が選ばれたかを知らない状況を創出する。
• ベル測定によるもつれスワッピングを用いて、アリスとボブの間に非局所的相関を生成する。この相関は、二者間非信号資源では再現できない。
• 任意の二局所的非信号相関を共有する古典的プレイヤーが、量子プレイヤーと同等の成功確率を達成できないことを証明する。
• 整合性チェックと確率の上限を用いて、成功確率の明確な分離を示す。
• k+2名のプレイヤーに一般化し、k局所的非信号相関が(k+1)局所的量子相関をシミュレートできないことを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子もつれは、量子力学よりも強い非信号相関を持つ古典的非信号相関と実験的に区別可能か？
• RQ2 二者間非信号相関のみを用いる古典的プレイヤーが、量子プレイヤーを上回るゲームは存在するか？
• RQ3 非信号資源の非トランスポート性を活用することで、量子理論と非信号理論を分離するテストを構築可能か？
• RQ4 量子戦略と非信号戦略の成功確率の差は、定数誤差のもとでも安定的か？
• RQ5 三名を超えるプレイヤーに一般化した場合、k局所的非信号相関が(k+1)局所的量子相関をシミュレートできないか？

主な発見

• 三量子ビットのGHZ状態を共有する量子デバイスは、任意の二者間非信号相関のみを用いる古典的デバイスよりも、三者ゲームで5.1%高い成功確率を達成する。
• 成功確率の差は定数誤差に対しても安定しており、実験的に実現可能である。
• 非信号資源はトランスポートできないが、量子もつれは可能であり、これによりもつれスワッピングが可能になり、二局所的非信号ボックスでは再現できない相関が生成される。
• k+2名のプレイヤーに対しては、量子プレイヤーが(k-1)局所的非信号相関のみを用いる古典的プレイヤーよりも高い確率でゲームに勝利する。
• 分析により、古典戦略の成功確率はCHSH+kゲームにおいて1/(2(3^k + 1))で上限が与えられ、量子戦略は著しく優れた性能を示す。
• この結果は、両者とも非信号的であるにもかかわらず、量子相関が二局所的非信号相関よりも根本的に優れていることを示唆している。