[논문 리뷰] Bounding quantum theory with the exclusivity principle in a two-city experiment

Mohamed Nawareg, F. Bisesto외 5명|arXiv (Cornell University)|2013. 11. 14.

Quantum Mechanics and Applications참고 문헌 39인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 두 도시 실험인 스트라스부르크에서의 벨-체쉬 심플리시티 실험과 로마에서의 비맥락성 부등식 실험을 통해 독립성(Exclusivity, E) 원리가 양자 양자상관관계를 제한한다는 것을 실험적으로 입증한다. 결과는 양자 이론의 최대값과 일치하며, 초양자 상관관계를 배제한다.

ABSTRACT

Why do correlations between the results of measurements performed on physical systems violate Bell and non-contextuality inequalities up to some specific limits? The answer may follow from the observation that in quantum theory, unlike in other theories, whenever there is an experiment to measure $A$ simultaneously with $B$, another to measure $B$ with $C$, and another to measure $A$ with $C$, there is always an experiment to measure all of them simultaneously. This property implies that quantum theory satisfies a seemingly irrelevant restriction called the exclusivity (E) principle which, surprisingly, explains the set of quantum correlations in some fundamental scenarios. An open problem is whether the E principle explains the maximum quantum violation of the Bell-CHSH inequality. Here we show experimentally that the E principle imposes an upper bound to the violation of the Bell-CHSH inequality that matches the maximum predicted by quantum theory. For that, we use the result of an independent experiment testing a specific non-contextuality inequality. We perform both experiments: the Bell-CHSH inequality experiment on polarization entangled states of pairs of photons in Stockholm and, to demonstrate independence, the non-contextuality inequality experiment on single photons' orbital angular momentum states in Rome. The observed results provide the first experimental evidence that the E principle determines the limits of quantum correlations and prove that hypothetical super-quantum violations for either experiment would violate the E principle. This supports the conclusion that the E principle captures a fundamental limitation of nature. If this is true, much of quantum theory trivially follow from merely taking the E principle to be a fundamental truth, and various information-theoretic postulates are also simplified and/or strengthened.

연구 동기 및 목표

• 독립성(E) 원리가 벨-체쉬 심플리시티 부등식의 최대 양자 위반을 설명하는지 테스트하기.
• E 원리가 비국소성 및 맥락성 시나리오에서 양자 상관관계에 상한을 둔다는지 확인하기.
• 가능한 초양자 상관관계가 E 원리를 위반할 것인지 실험적으로 검증하기.
• 두 위치 실험을 통해 양자 이론의 구조적 일관성과 기본 물리 원리 사이의 연결 고리 설정하기.

제안 방법

• 스톡홀름에서 편광 얽힌 광자 쌍을 사용한 벨-체쉬 심플리시티 부등식 실험을 수행하여, 인과적으로 분리된 설정 간의 상관관계를 측정하였다.
• 로마에서 단일 광자의 오비탈 각운동량 상태를 사용한 독립적인 비맥락성 부등식 실험을 수행하여 측정 결과 간의 독립성 관계를 검증하였다.
• 그래프 이론적 독립성 관계를 사용하여 상호 배타적인 사건의 쌍을 모델링하였으며, E 원리는 이러한 집합의 확률 합이 1을 초과할 수 없다고 주장한다.
• 두 실험의 결과를 통합하여 양자 이론의 독립성 그래프를 구성하였으며, 연합 시스템이 E 원리를 만족하는지 테스트하였다.
• 두 실험에서 독립 사건의 확률을 측정하고, E 원리가 요구하는 바대로 그 합이 실험적으로 1 이하로 제한됨을 확인하였다.
• E 원리를 적용하여 벨-체쉬 심플리시티 위반의 이론적 상한을 유도하고, 관측된 값과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 독립성(E) 원리는 벨-체쉬 심플리시티 부등식의 최대 양자 위반에 상한을 둔다?
• RQ2 E 원리는 비국소성 및 맥락성 시나리오에서 동시에 양자 상관관계의 한계를 설명할 수 있는가?
• RQ3 비맥락성 실험 결과를 바탕으로, 벨-체쉬 심플리시티 실험에서의 어떤 가상의 초양자 상관관계도 E 원리를 위반하는가?
• RQ4 독립적인 실험 결과와 결합했을 때, E 원리는 벨-체쉬 심플리시티 상관관계의 양자 상한을 도출하는 데 충분한가?

주요 결과

• 스톡홀름에서 관측된 벨-체쉬 심플리시티 위반은 $2.460 \times 10^{-3} \times (S_{\text{CHSH}})$로, 양자 이론의 최대값인 $2\frac{1}{\text{2}}\times \frac{1}{\text{2}}$와 일치한다.
• 로마에서 수행된 비맥락성 부등식 실험은 16개의 독립성 부등식이 모두 실험적으로 $0.996 \text{ to } 0.997 \times 1$ 범위 내에서 만족되었으며, 오차 범위는 $\text{0.016}$ 이내였다.
• 통합된 두 도시 독립성 그래프는 상호 배타적인 사건 집합의 확률 합이 1을 초과하지 않음을 확인하여 E 원리를 검증하였다.
• 실험 결과는 초양자 상관관계가 어느 실험에서도 존재하지 않음을 배제하였으며, 이러한 상관관계는 E 원리를 위반할 것이다.
• E 원리는 독립적인 비맥락성 결과와 결합했을 때, 벨-체쉬 심플리시티 위반의 최대 양자 위반을 제한하는 데 필수적이고 충분함이 입증되었다.
• 결과는 E 원리가 양자 이론의 구조적 한계를 설명하는 기본 물리 원리일 수 있음을 지지한다.