[논문 리뷰] A new physical principle: Information Causality

Marcin Pawłowski, Tomasz Paterek외 4명|arXiv (Cornell University)|2009. 05. 14.

Quantum Mechanics and Applications인용 수 20

한 줄 요약

이 논문은 정보 인과성(Information Causality)을 소개한다. 이는 클래식한 통신으로 m 비트를 전송할 때 보브가 얼리의 데이터에 대해 확보할 수 있는 총 정보의 양이 m 비트 이하로 제한됨을 서술하는 새로운 물리적 원칙이다. 이 원칙은 양자역학이 더 강력한 비신호 이론들로부터 어떻게 다를 수 있는지를 보여주며, 오직 양자 양자상관관계만이 이 원칙을 만족시킨다는 점에서, 왜 양자 이론이 이렇게 구성되어 있는지에 대한 기초적인 통찰을 제공한다.

ABSTRACT

Quantum physics exhibits remarkable distinguishing characteristics. For example, it gives only probabilistic predictions (non-determinism) and does not allow copying of unknown state (no-cloning). Quantum correlations may be stronger than any classical ones, nevertheless information cannot be transmitted faster than light (no-signaling). However, all these features do not single out quantum physics. A broad class of theories exist which share such traits with quantum mechanics, while they allow even stronger than quantum correlations. Here, we introduce the principle of Information Causality. It states that information that Bob can gain about a previously completely unknown to him data set of Alice, by using all his local resources (which may be correlated with her resources) and a classical communication from her, is bounded by the information volume of the communication. In other words, if Alice communicates m bits to Bob, the total information access that Bob gains to her data is not greater than m. For m=0, Information Causality reduces to the standard no-signaling principle. We show that this new principle is respected both in classical and quantum physics, whereas it is violated by all the no-signaling correlations which are stronger that the strongest quantum correlations. Maximally strong no-signalling correlations would allow Bob access to any m bit subset of the whole data set held by Alice. If only one bit is sent by Alice (m=1), this is tantamount to Bob being able to access the value of any single bit of Alice's data (but of course not all of them). We suggest that Information Causality, a generalization of no-signaling, might be one of the foundational properties of Nature.

연구 동기 및 목표

• 더 넓은 범위의 비신호 이론들 중에서 양자역학을 특징짓는 기본 원리를 규명하는 것.
• 비결정성과 복제 금지 원칙을 허용하면서도 양자상관관계의 강도가 제한되어 있음에도 불구하고 그 이유를 이해하는 데의 격차를 메우는 것.
• 클래식한 통신의 양에 기반한 정보 접근의 경계를 도입함으로써 비신호 원리를 일반화하는 것.
• 정보 인과성이 고전물리학과 양자역학 모두에서 만족되지만, 더 강력한 양자 이상의 비신호 상관관계에서는 위반됨을 보여주는 것.

제안 방법

• 클래식한 통신 m 비트가 보브의 총 정보 확보 능력을 m 비트로 제한하는 바탕이 되는 비신호 원리의 일반화로 정보 인과성을 제안하는 것.
• 앨리스가 데이터 세트를 보유하고 있으며, m 비트를 보브에게 전송하는 상황을 정의하여, 보브가 국소 자원과 상관관계를 이용해 앨리스의 데이터에 대해 정보를 추론하는 상황을 설정하는 것.
• 정보 접근의 척도를 사용하여 보브가 앨리스의 데이터에 대해 얼마나 많은 정보를 습득할 수 있는지 정량화하며, 이는 통신의 양에 의해 제한된다.
• 상관관계를 정보 확보의 관점에서 분석하여, 양자 이상의 강력한 상관관계는 보브가 m 비트를 초월한 정보에 접근할 수 있음을 보여주는 것.
• 최대로 강력한 비신호 상관관계는 보브가 앨리스의 데이터에서 어떤 m 비트 부분집합이라도 접근할 수 있도록 하여 정보 인과성을 위반함을 보여주는 것.
• 양자역학은 정보 인과성을 만족하지만, 더 강력한 양자 이상의 상관관계를 가진 모든 이론은 그렇지 않음을 증명하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 더 넓은 범위의 비신호 이론들 중에서 양자역학을 유일하게 특징짓는 물리적 원리를 수립할 수 있는가?
• RQ2 비결정성과 복제 금지 원칙을 허용하는 상관관계 시스템에서 클래식한 통신의 양이 보브가 앨리스의 데이터에 대해 확보할 수 있는 정보의 양을 어떻게 제한하는가?
• RQ3 양자역학보다 더 강력한 모든 비신호 이론들이 일반화된 비신호 원칙을 위반하는가?
• RQ4 정보 인과성은 자연의 기본 원리인가? 만약 그렇다면, 이 원리는 양자상관관계의 한계를 설명하는가?
• RQ5 정보 인과성을 사용하여 양자역학의 구조를 유도하거나 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 정보 인과성은 고전물리학과 양자역학 모두에서 만족되며, 일반 원칙으로서의 성격을 지닌다.
• 양자역학의 상관관계보다 더 강력한 상관관계를 허용하는 모든 비신호 이론은 정보 인과성을 위반한다.
• 최대로 강력한 비신호 상관관계는 보브가 앨리스의 데이터에서 어떤 m 비트 부분집합이라도 접근할 수 있도록 하여, m 비트의 경계를 초월한다.
• m=1일 경우, 이러한 상관관계는 보브가 앨리스의 데이터에서 어떤 단일 비트의 값을라도 알 수 있도록 하여, m 비트의 정보 제한을 위반한다.
• 정보 인과성은 비신호 이론들 중에서 양자역학만을 특징짓는 물리적 원리로서의 역할을 한다.
• 이 원리는 비신호 조건을 일반화하며, m=0일 때 비신호 조건이 복원되며, 양자이론의 구조에 대한 더 깊은 설명을 제공한다.