[논문 리뷰] Bounding the speed of `spooky action at a distance'

Juan Yin, Yuan Cao외 11명|arXiv (Cornell University)|2013. 03. 04.

Quantum Information and Cryptography인용 수 65

한 줄 요약

이 실험은 16km의 자유공간 얽힘 분포와 고속 전기광학 변조기를 사용하여 장거리 벨 테스트에서 국소성과 선택의 자유의 역설을 해결함으로써, CHSH-벨 부등식에 대한 12시간 연속 위반을 달성하였다. 결과적으로 '비국소적 작용'의 속도에 대해 빛의 속도의 13,800배 이상의 하한을 확립하였으며, 높은 실험적 엄밀도로 그 비국소성 특성을 확인하였다.

ABSTRACT

In the well-known EPR paper, Einstein et al. called the nonlocal correlation in quantum entanglement as `spooky action at a distance'. If the spooky action does exist, what is its speed? All previous experiments along this direction have locality loopholes and thus can be explained without having to invoke any `spooky action' at all. Here, we strictly closed the locality loopholes by observing a 12-hour continuous violation of Bell inequality and concluded that the lower bound speed of `spooky action' was four orders of magnitude of the speed of light if the Earth's speed in any inertial reference frame was less than 10^(-3) times of the speed of light.

연구 동기 및 목표

• 비국소 양자 상관관계 실험 테스트에서 국소성과 선택의 자유의 역설을 제거하는 것.
• 장거리에서의 시공간적 벨 부등식 위반을 통해 '이상한 작용'의 최소 속도를 측정하는 것.
• 지구의 자전을 활용하여 모든 관성 기준프레임을 커버함으로써 비국소 양자 영향의 보편 하한 속도를 확보하는 것.
• 클래식적 설명을 배제하는 엄격한 실험 조건 하에서 양자 얽힘의 비국소성 특성을 검증하는 것.
• 미래의 위성 기반 양자 통신 및 양자역학의 기초적 테스트를 위한 견고한 기반을 마련하는 것.

제안 방법

• 중국 청해성에 위치한 두 지상국 사이의 15.3km 동서 방향 자유공간 링크를 통해 분포된 편광 얽힌 광자 쌍.
• 광자 방출 후 빠른 전기광학 변조기(EOM)를 사용하여 측정 기저를 무작위로 설정함으로써 선택의 자유와 설정 선택 역설을 제거.
• 기준선을 가로지르는 빛의 전파 시간보다 측정 사건 간의 시간 간격이 짧게 유지하여 측정 사건 간의 시공간적 분리(공간적 분리)를 확보.
• 측정 및 설정 사건의 시공간 좌표에 라우레츠 변환을 적용하여 모든 관성 기준프레임에서 비국소 영향의 속도 하한을 유도.
• 식 (5)를 사용하여 하한을 계산: $(V_{sa}/c)^2 \geq 1 + \frac{(1-\beta^2)(1-\rho^2)}{(\rho + |\beta \sin\theta \cdot \omega T/2|)^2}$, 여기서 $\rho = 6.84 \times 10^{-6}$, $\beta = 10^{-3}$, $T$는 측정 주기이다.
• 설정 선택 사건이 측정 사건과 얽힘 원천의 빛원뿔 외부에 위치하도록 보장하여 모든 관성 기준프레임에서 국소성 역설을 제거.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 국소성과 선택의 자유의 역설이 제거된 실험 조건 하에서 비국소 양자 영향의 최소 속도는 무엇인가?
• RQ2 지구의 자전을 활용하여 동서 방향 기준선을 따라 장거리에서 12시간 연속적인 시공간적 벨 테스트를 실현할 수 있는가?
• RQ3 비국소 영향의 속도 하한은 지구의 관성 기준프레임에 대한 상대 속도와 측정 기준선의 방향에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 장거리 광자 벨 테스트에서 공정한 표본 추출 가정은 어느 정도 정당화될 수 있으며, 이는 속도 하한의 타당성에 영향을 미치는가?
• RQ5 이 실험 설정은 공간적 GHZ 정리와 같은 기초 양자 원리 테스트나 위성-지상 양자 통신을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 실험은 국소성 분리된 측정 설정 하에서 12시간 연속 CHSH-벨 부등식 위반을 달성하여 비국소 양자 상관관계를 확인하였다.
• 지구의 관성 기준프레임에 대한 상대 속도가 $10^{-3}c$일 경우 '이상한 작용'의 속도 하한은 최소 $1.38 \times 10^4$ 배의 빛의 속도로 결정되었다.
• 지구 중심이 관성 기준프레임에 대해 $0.9c$로 이동하더라도 속도 하한은 여전히 빛의 7배 이상 유지되어 다양한 속도 영역에서의 강인함을 입증하였다.
• 시공간도를 통해 설정 선택 사건이 측정 사건과 원천의 빛원뿔 외부에 위치함을 확인하여 국소성 및 선택의 자유의 역설이 모두 제거됨을 입증하였다.
• 지구의 자전을 통해 모든 가능한 관성 기준프레임에 대한 에르고딕 샘플링이 가능하여 속도 하한이 관측자의 운동에 독립적이며 보편적이게 되었다.
• 고속 타임 태깅 및 장거리 레이저 추적을 포함한 실험 설정은 위성-지상 양자 통신 및 다중 당사자 양자 정보 프로토콜에 직접 적용 가능하다.