[논문 리뷰] A realistic device that simulates the non-local PR box without communication

Sven Aerts|ArXiv.org|2005. 04. 22.

Quantum Mechanics and Applications참고 문헌 3인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 통신 없이 비국소적 PR 상자를 시뮬레이션할 수 있는 현실적이고 고전적인 모델을 제시한다. 관통된 튜브 안의 늘어난 고무줄을 사용하여 앨리스와 보브가 각각 색상과 길이를 국소적으로 측정함으로써, EPR-벨 시나리오에서 양자 유사 반상관관계를 재현한다. 이는 비국소적 상관관계가 통신이나 은밀한 정보 전달 없이 국소적이고 인과적인 과정에서 유도될 수 있음을 보여주며, 얽힘은 통신 없이도 시뮬레이션될 수 있다는 주장을 더욱 강화한다.

ABSTRACT

A black box with two input bits and two output bits is called a non-local PR box, if the XOR of the output bits equals the AND of the input bits. In a recent article, Cerf et al. show that Alice and Bob, using such a PR box, can effectively simulate entanglement without the need of communication. We show that an adaptation of a model due to Dirk Aerts, yields a realistic simulation of the non-local PR box without communication. Because the model is entirely realistic, it cannot violate relativistic constraints. Like a non-local box, it can be used to simulate the singlet state coincidence probabilities, but the time to complete the observation of the outcome will exceed the time it takes a photon to travel one arm in an EPRB setup. The model explicitly shows how to produce an outcome that is locally perfectly random, but nevertheless determines what happens in the other wing of the experiment, without communication taking place between the two wings. In this sense, it can serve as an accurate metaphor for the mechanism of entanglement. The model considerably strengthens the claim that no communication is necessary to simulate entanglement.

연구 동기 및 목표

• 통신 없이 비국소적 PR 상자를 시뮬레이션할 수 있는 현실적이고 국소적인 메커니즘을 제공하여, 이러한 비국소성이 신호 전달이나 양자 자원을 필요로 한다는 믿음을 도전한다.
• 특히 XOR 출력이 AND 입력과 일치하는 PR 상자의 행동이, 상대성 이론의 제약을 위반하지 않는 고전적이고 인과적인 과정을 통해 실현될 수 있음을 보여준다.
• 세르프 등이 주장한 바와 같이, 양자 얽힘이 통신 없이도 시뮬레이션될 수 있음을 뒷받침하기 위해 구체적이고 물리적으로 타당한 모델을 제공한다.
• 공유된 물리적 시스템에서 국소적 측정을 통해 비국소적 상관관계가 어떻게 유도될 수 있는지 설명하며, 정보 전달이 아닌 결과의 공창성에 초점을 맞춘다.

제안 방법

• 모델은 튜브 안에 길이 L인 늘어나지 않은 고무줄을 사용하며, 양 끝은 앨리스와 보브가 각각 잡고 있으며, 설정 시 랜덤으로 색상(노란색 또는 빨간색)이 할당된다.
• 입력 0이 주어지면, 앨리스는 자신의 끝의 색상을 측정한다: 노란색 → 출력 1, 빨간색 → 출력 0.
• 입력 1이 주어지면, 앨리스는 3초 동안 기다린 후 길이(기준 길이 L/2에 대한 상대적 길이)와 색상을 측정하고, 출력으로 NOT(XOR(l_Alice, c_Alice))를 계산한다.
• 보브는 자신의 측정값인 길이와 색상을 사용해 동일한 연산을 수행한다.
• 고무줄은 둘 다 당길 때(입력 1일 때)에만 끊어지며, 끊어지는 지점이 결과 분포를 결정한다.
• 결과가 반상관관계를 보이는 것은 둘 다 입력 1을 선택할 때에만 해당하며, 이 경우 출력은 동일한 확률로 (0,1) 또는 (1,0)이 된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 앨리스와 보브 사이에 어떤 형태의 통신도 없이, 완전히 현실적이고 국소적인 고전적 모델이 비국소적 PR 상자를 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ2 국소적 측정과 결정론적 결과를 가진 물리적 시스템이 신호 전달 없이 PR 상자의 상관관계 통계를 재현할 수 있는가?
• RQ3 EPR-벨 실험에서 관찰되는 비국소적 상관관계는, 후행 시간 신호 전달이 아니라 공유된 물리적 시스템을 통한 결과의 공창성에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ4 지역적 인과성과 상대성 이론에 부합하면서도 CHSH 부등식을 최대로 위반하는 모델을 구축할 수 있는가?

주요 결과

• 고무줄 모델은 PR 상자 조건을 충족한다: 모든 입력 조합에서 출력의 XOR은 입력의 AND와 일치하며, 정확한 확률을 가진다.
• 앨리스와 보브가 모두 입력 1을 선택할 경우, 결과는 (0,1) 또는 (1,0)으로 동일한 확률로 나타나며, 필요한 반상관관계를 보장한다.
• (0,0), (0,1), (1,0) 입력 조합에 대해서는 출력이 (0,0) 또는 (1,1)로 동일한 확률로 나타나며, PR 상자 조건을 충족한다.
• 앨리스와 보브 사이에 통신은 발생하지 않으며, 모든 결과는 국소적 측정과 고무줄의 사전에 존재하는 성질에 의해 결정된다.
• 측정을 완료하는 데 소요되는 시간은 EPRB 설정에서 빛이 한 지름을 가로질러 가는 데 걸리는 시간을 초과하므로, 상대성 인과성이 유지된다.
• 모델은 비국소적 상관관계가 통신 없이 국소적이고 인과적인 과정에서 유도될 수 있으며, 결과가 전달되는 것이 아니라 공창되는 방식에서 유래할 수 있음을 보여주며, 얽힘이 신호 전달을 필요로 하지 않는다는 아이디어를 지지한다.