[논문 리뷰] An Inquiry into the Possibility of Nonlocal Quantum Communication

John G. Cramer, Nick Herbert|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 17.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 1인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 변수적 얽힘이 있는 얽힌 광자 시스템을 통해 비국소적 양자 통신이 가능한지 조사한다. 편광 및 경로 얽힘을 가진 사고 실험을 통해, 간섭 무늬가 측정 선택에 의해 켤 수 있고 끄는 경우에도 항상 '신호'와 '역신호' 간섭 무늬가 상쇄되어 관측 가능한 비국소적 신호가 발생하지 않음을 보여준다. 핵심 결과는 한 개의 입자 간섭과 두 개의 입자 간섭 사이의 양자 보완성 원리가 테스트된 모든 구성에서 비국소적 신호 전파를 차단한다는 것이다.

ABSTRACT

The possibility of nonlocal quantum communication is considered. We investigate three $gedankenexperiments$ that have variable entanglement: (1) a 4-detector polarization-entangled system, (2) a 4-detector path-entangled system, and (3) a 3-detector path-entangled system that uses an innovative optical mixer to combine photon paths. A new quantum paradox is reviewed in which the presence or absence of an interference pattern in a path-entangled two photon system, controlled by measurement choice, is a potential nonlocal signal. We show that for the cases considered, even when interference patterns can be switched off and on, there is always a "signal" interference pattern and an "anti-signal" interference pattern that mask any observable interference when they are added, even when entanglement and coherence are simultaneously present. This behavior can be attributed to what in the literature has been called "the complementarity of one- and two-particle interference".

연구 동기 및 목표

• 변수적 얽힘이 있는 양자 시스템을 통해 비국소적 신호 전파가 가능한지 조사하는 것.
• 세 가지 사고 실험을 분석하는 것: 4검출기 편광 얽힘 시스템, 4검출기 경로 얽힘 시스템, 광학 혼합기가 있는 3검출기 경로 얽힘 시스템.
• 71%의 얽힘이 일관성과 비국소적 신호 전파를 가능하게 할 수 있다는 추측을 시험하는 것.
• 간섭 보완성이 비국소적 통신을 방지하는 데서 수행하는 역할을 조사하는 것.
• 해석적 및 수치적 방법을 통해 비국소적 신호가 나타나지 않음을 확인하는 것. 이는 간섭 무늬가 켜지고 꺼지는 것처럼 보일 수 있지만 실제로는 그렇지 않다.

제안 방법

• 얽힌 광자 쌍을 위한 양자 체계를 사용하여 연합 검출 확률을 해석적으로 유도하는 것.
• 검출기 표면 전역에서 파동함수의 겹침과 검출 확률을 수치적으로 통합하는 것.
• 변수적 얽힘과 간섭 조건을 모델링하기 위해 단위 파라미터(α, φA, φB)를 사용하는 것.
• 해석적으로 예측한 단일 검출 수와 수치적으로 통합된 결과를 비교하여 이질성을 탐지하는 것.
• 일개 입자 간섭과 이개 입자 간섭 사이의 보완성 원리를 적용하여 신호가 가려지는 것을 설명하는 것.
• 해석적 결과와 수치적 결과의 차이 함수를 등고선으로 그려 비국소적 신호 잠재성을 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 4검출기 편광 얽힘 시스템에서 얽힘 정도를 조절함으로써 비국소적 신호 전파가 가능할 수 있는가?
• RQ2 4검출기 경로 얽힘 시스템은 간섭을 켤 수 있고 끄는 방식으로 비국소적 신호 전파를 허용하는가?
• RQ3 광학 혼합기가 있는 3검출기 경로 얽힘 시스템은 측정 선택에 의해 비국소적 통신을 가능하게 하는가?
• RQ4 일개 입자 간섭과 이개 입자 간섭의 보완성이 모든 비국소적 신호를 차단하는 데에 충분한가?
• RQ5 검출 확률에 대한 수치적 예측과 해석적 예측이 비국소적 신호 전파를 가능하게 할 정도로 다름이 있는가?

주요 결과

• 해석적으로 예측한 검출 확률과 수치적으로 통합한 결과 간의 차이는 수백만 분의 수준이며, 거의 완벽한 일치를 나타낸다.
• 차이 함수 등고선도에서 'A', 'B', 'C'로 표기된 영역은 각각 최대 편차 5.7×10⁻⁷, 6.08×10⁻⁶, 5.51×10⁻⁶를 보이며, 신호 편차가 무시할 만큼 작음을 확인한다.
• 경로 얽힘 시스템의 쐐기형 수정 구성에서는 수치 분석에 의해 비국소적 신호가 불가능함을 확인하였다.
• 심지어 얽힘과 일관성이 함께 존재하더라도 간섭 무늬는 상쇄되는 '신호'와 '역신호' 무늬의 보완성에 의해 가려진다.
• 비국소적 신호 전파를 차단하는 메커니즘은 기존에 이론적으로 제안된 바와 같이 일개 입자 간섭과 이개 입자 간섭의 보완성 원리이다.
• 표준 양자 체계는 모든 테스트된 구성에서 비국소적 신호 전파를 방지하며, 인과성을 유지한다.