[논문 리뷰] A Cosmic Bell Test with Measurement Settings from Astronomical Sources

Johannes Handsteiner, Andrew S. Friedman외 18명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 21.

Quantum Mechanics and Applications인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 벨 부등식 실험에서 측정 설정을 결정하기 위해 먼 별의 실시간 천문 관측을 사용하여 천체적 요소에 의한 국소적 실재론적 영향의 잠재적 틈새를 제거하는 천체적 벨 테스트를 수행한다. p-값 ≤ 4.0 × 10⁻³³로 벨 부등식 위반 결과를 보고하였으며, 이는 어떤 영향도 결과에 영향을 미칠 수 있었던 최신 시점이 약 600년 전으로 되돌아가게 한다.

ABSTRACT

Bell's theorem states that some predictions of mechanics cannot be reproduced by a local-realist theory. That conflict is expressed by Bell's inequality, which is usually derived under the assumption that there are no statistical correlations between the choices of measurement settings and anything else that can causally affect the measurement outcomes. In previous experiments, this freedom of choice was addressed by ensuring that selection of measurement settings via conventional quantum random number generators was space-like separated from the entangled particle creation. This, however, left open the possibility that an unknown cause affected both the setting choices and measurement outcomes as recently as mere microseconds before each experimental trial. Here we report on a new experimental test of Bell's inequality that, for the first time, uses distant astronomical sources as cosmic setting generators. In our tests with polarization-entangled photons, measurement settings were chosen using real-time observations of Milky Way stars while simultaneously ensuring locality. Assuming fair sampling for all detected photons, and that each stellar photon's color was set at emission, we observe statistically significant $\gtrsim 7.31 \sigma$ and $\gtrsim 11.93 \sigma$ violations of Bell's inequality with estimated $p$-values of $ \lesssim 1.8 imes 10^{-13}$ and $\lesssim 4.0 imes 10^{-33}$, respectively, thereby pushing back by $\sim$600 years the most recent time by which any local-realist influences could have engineered the observed Bell violation.

연구 동기 및 목표

• 먼 별과 같은 천체적 원천을 무작위 설정 생성기로 사용하여 벨 테스트에서 자유의 선택 틈새를 해결하기 위해.
• 모든 가상의 국소 실재론적 영향이 실험 전에 측정 설정과 결과에 영향을 줄 수 없도록 보장하기 위해.
• 600년 전에 방출된 항성 광자에서 유래한 측정 설정을 사용하여 벨 부등식을 시험하기 위해.
• 설정 선택에 대한 원인적 영향의 가능성을 최소화하여 양자 비국소성의 실험적 기반을 강화하기 위해.
• 엄격한 국소성 및 공정 샘플링 가정 하에서 벨 부등식의 통계적으로 유의미한 위반을 달성하기 위해.

제안 방법

• 우주 은하수의 먼 별에서 온 빛의 실시간 관측을 사용하여 얽힌 광자 쌍의 측정 설정을 결정하였다.
• 측정 설정 선택과 얽힌 입자 생성 사이에 시공간적 분리를 확보하여 국소성을 강제하기 위해.
• 각 항성 광자의 색깔이 방출 시점에 결정되어 실험 결과와 독립적임을 가정하였다.
• 편광 얽힌 광자 쌍을 사용하고 그 상관관계를 측정하여 벨 부등식을 시험하였다.
• 공정 샘플링 가정 하에서 벨 부등식 위반에 대한 p-값을 계산하기 위해 통계 분석을 적용하였다.
• 천문학적 데이터를 활용하여 광자의 방출 시점을 추적하여, 어떤 은폐된 영향도 실험 전 최소 600년 전에 작용했어야 함을 보장하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 먼 별과 같은 천체적 원천을 무작위 수 생성기로 사용하여 벨 테스트의 자유의 선택 틈새를 효과적으로 닫을 수 있는가?
• RQ2 국소 실재론적 영향이 측정 설정과 결과에 영향을 미칠 수 있었던 최신 시간은 어느 정도 이전까지로 되돌릴 수 있는가?
• RQ3 설정이 항성 광자에서 유래할 경우, 벨 부등식 위반의 통계적 유의성은 어떻게 되는가?
• RQ4 공정 샘플링과 방출 시점에서 광자의 색깔이 고정되어 있다는 가정이 시험의 타당성에 미치는 영향은 어느 정도인가?
• RQ5 우주적 원천이 기초 양자 실험을 위한 신뢰할 수 있고 독립적인 무작위성 원천이 될 수 있는가?

주요 결과

• 실험은 p-값 ≤ 1.8 × 10⁻¹³로 벨 부등식 위반 결과를 달성하였으며, 이는 >7.31σ의 유의 수준에 해당한다.
• 두 번째로 더 엄격한 테스트에서는 p-값 ≤ 4.0 × 10⁻³³로, >11.93σ의 유의 수준에 해당한다.
• 결과는 어떤 국소 실재론적 영향도 결과에 영향을 미칠 수 있었던 최신 시점이 실험 전 약 600년 전으로 되돌아가게 한다.
• 항성 광자를 설정 생성기로 사용함으로써, 이러한 영향은 빛이 방출되기 이전, 즉 실험 시작 이전에 작용했어야 함을 보장한다.
• 국소성, 공정 샘플링, 방출 시점에서 광자의 색깔이 고정되어 있다는 가정 하에서, 결과는 양자역학의 비국소성 성격을 지지한다.
• 통계적 유의성과 시간적 한계는 자유의 선택 틈새를 닫는 데 있어 벨 테스트 분야에서의 중대한 진전을 나타낸다.