[논문 리뷰] Anomalies in experimental data for the EPR-Bohm experiment: Are both classical and quantum mechanics wrong?

Guillaume Adenier, Andrei Khrennikov|ArXiv.org|2006. 07. 25.

Quantum Mechanics and Applications참고 문헌 2인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 벨의 부등식 기반 테스트의 기초적인 타당성을 도전하는 바탕이 되는 EPR-Bohm 실험 데이터의 이면 현상을 분석한다. 개별 확률은 양자역학(QM) 예측에서 벗어나지만, 상관 함수 $E^\text{exp}(\alpha,\beta)$에서는 이 편차들이 상쇄되어 QM 예측과 일치함을 드러낸다. 그러나 다른 선형 조합의 확률은 QM 예측에서 유의미한 편차를 보이며, 이는 고전적 모델과 양자 모델 양쪽 모두가 더 넓은 통계적 프레임워크 하에서 무효가 될 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We analyze anomalies in data to test the violation of Bell's inequality for the EPR-Bohm experiment. We found that the experimental correlations for photon polarization have an intriguing property. In the experimental data there are visible non-negligible deviations of probabilities $P_{++}^{ m{exp}}(α, β), P_{+-}^{ m{exp}}(α, β), P_{-+}^{ m{exp}}(α, β), P_{--}^{ m{exp}}(α, β) $ from the predictions of quantum mechanics, namely, $P_{++}(α, β)=P_{--}(α, β)= {1/2}\cos^2(α-β)$ and $P_{+-}=P_{-+}(α, β)={1/2}\sin^2(α-β).$ However, in some mysterious way those deviations compensate each other and finally the correlation $E^{ m{exp}}(α, β)= P_{++}^{ m{exp}}(α, β)- P_{+-}^{ m{exp}}(α, β)- P_{-+}^{ m{exp}}(α, β)+ P_{--}^{ m{exp}}(α, β)$ is in the complete agreement with the QM-prediction, namely, $E(α, β)= P_{++}(α, β)- P_{+-}(α, β)- P_{-+}(α, β)+ P_{--}(α, β)= \cos 2(α-β).$ Therefore such anomalies play no role in the Bell's inequality framework. Nevertheless, other linear combinations of experimental probabilities do not have such a compensation property. There can be found non-negligible deviations from predictions of quantum mechanics. Thus neither classical nor quantum model can pass the whole family of statistical tests given by all possible linear combinations of the EPR-Bohm probabilities. Does it mean that both models are wrong?

연구 동기 및 목표

• EPR-Bohm 실험에서 벨의 부등식을 시험하는 데 사용된 실험 데이터의 통계적 이면 현상을 조사하기 위해.
• 개별 확률이 양자역학 예측에서 벗어나는 것이 고전적 모델과 양자 모델 모두를 무효화하는지 평가하기 위해.
• 개별 편차의 상쇄로 인해 상관 함수 $E^\text{exp}(\alpha,\beta)$가 여전히 QM 예측과 일치하는지 확인하기 위해.
• 다른 선형 조합의 확률 $E_c^\text{exp}(\alpha,\beta)$가 QM 예측과 일치하는지 평가하기 위해.
• 상관 함수 기반 통계적 테스트만을 사용하는 방식으로 고전 대 양자 모델을 시험하는 벨의 접근 방식의 타당성을 의심하기 위해.

제안 방법

• EPR-Bohm 실험에서의 실험적 확률 $P_{++}^\text{exp}(\alpha,\beta)$, $P_{+-}^\text{exp}(\alpha,\beta)$, $P_{-+}^\text{exp}(\alpha,\beta)$, $P_{--}^\text{exp}(\alpha,\beta)$ 분석.
• 실험적 상관 함수 $E^\text{exp}(\alpha,\beta)$를 양자역학적 예측 $E(\alpha,\beta) = \cos 2(\alpha - \beta)$와 비교.
• 임의의 선형 조합 $E_c^\text{exp}(\alpha,\beta) = c_{++}P_{++}^\text{exp} + c_{+-}P_{+-}^\text{exp} + c_{-+}P_{-+}^\text{exp} + c_{--}P_{--}^\text{exp}$ 가 QM 예측에서 벗어나는지 조사.
• 기준으로 사용할 양자역학적 예측: $P_{++}(\alpha,\beta) = P_{--}(\alpha,\beta) = \frac{1}{2}\cos^2(\alpha - \beta)$ 및 $P_{+-}(\alpha,\beta) = P_{-+}(\alpha,\beta) = \frac{1}{2}\sin^2(\alpha - \beta)$.
• 관측된 상관 함수에서의 편차 상쇄가 통계적 요인인지 실험적 요인인지 평가하며, 비이deal한 상태 준비 가능성까지 고려.
• 비최대 얽힘 고순수 상태와 같은 대안 모델을 탐색하여 이면 현상을 설명.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 EPR-Bohm 실험에서 개별 실험적 확률이 양자역학 예측에서 유의미하게 벗어나는가?
• RQ2 개별 확률에서의 편차가 있음에도 불구하고 상관 함수 $E^\text{exp}(\alpha,\beta)$가 왜 여전히 QM 예측과 일치하는가?
• RQ3 확률의 선형 조합 $E_c^\text{exp}(\alpha,\beta)$ 중에서 QM 예측을 위반하는 것이 있는가?
• RQ4 상관 함수에서 관측된 편차 상쇄는 통계적 또는 실험적 요인으로 설명될 수 있는가?
• RQ5 일부 선형 조합에서 QM 예측 위반이 발생한다면, 이는 고전적 모델과 양자 모델 모두를 기각해야 한다는 의미인가?

주요 결과

• 실험적 상관 함수 $E^\text{exp}(\alpha,\beta)$는 개별 확률 $P_{++}^\text{exp}, P_{+-}^\text{exp}, P_{-+}^\text{exp}, P_{--}^\text{exp}$ 가 QM 예측과 유의미하게 다를지라도, 양자역학적 예측 $\cos 2(\alpha - \beta)$와 일치한다.
• 개별 확률의 편차는 모든 선형 조합에서 상쇄되지 않으며, 일부 $E_c^\text{exp}(\alpha,\beta)$ 조합은 QM 예측에서 유의미한 편차를 보인다.
• 상관 함수 $E^\text{exp}(\alpha,\beta)$는 개별 항의 편차 상쇄로 인해 고유한 안정성을 보이며, 이는 다른 선형 조합에서는 공유되지 않는다.
• 비최대 얽힘 고순수 상태조차도 관측된 이면 현상을 완전히 설명할 수 없으며, 일부 $E_c^\text{exp}(\alpha,\beta)$ 조합은 여전히 QM 예측에서 벗어나 있다.
• 데이터는 더 넓은 통계적 테스트 가족 하에서 고전적 모델과 양자 모델 모두가 무효가 될 수 있음을 시사하며, 이는 벨의 부등식 프레임워크의 기초적 가정을 도전한다.
• 저자들은 향후 실험에서 모든 가능한 선형 조합 $E_c(\alpha,\beta)$를 테스트할 수 있도록 완전한 데이터 세트를 확보해야 한다고 결론 내린다. 현재 데이터는 QM 예측하는 모든 통계적 테스트를 충족하지 못한다.