[논문 리뷰] Do the laws of physics prohibit counterfactual communication

Hatim Salih, Will McCutcheon외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 04.

Quantum Mechanics and Applications참고 문헌 19인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 후선택된 양자 입자를 사용하는 반사적 의사소통 프로토콜을 제안하며, 앨리스가 보낸 광자가 실제로 보브에게 도달하지 않음에도 불구하고 그의 메시지를 전달할 수 있음을 입증한다. 약한 측정과 일관된 역사 이론을 활용하여, 보브의 비트를 거의 완벽한 신뢰도로 전달하는 것이 가능하며, 실험적으로 두 가지 오류 범위를 모두 제거함으로써 오랫동안 지속된 반사적 의사소통이 불가능하다는 추측에 도전한다.

ABSTRACT

It has been conjectured that counterfactual communication is impossible, even for post-selected quantum particles. We strongly challenge this by proposing exactly such a counterfactual scheme where---unambiguously---none of Alice's photons that contribute to the message from Bob have been to Bob. We demonstrate counterfactuality experimentally by means of weak measurements, as well as conceptually using consistent histories---thus simultaneously closing both loopholes. Importantly, the fidelity of Alice learning Bob's bit can be made arbitrarily close to unity.

연구 동기 및 목표

• 반사적 의사소통이 물리 법칙에 의해 본질적으로 금지되어 있다는 오랫동안 지속된 추측에 도전하기 위해.
• 후선택된 양자 입자를 사용한 제안된 방법에서 검출 오류 범위와 반사적 의사소통 오류 범위를 모두 제거하기 위해.
• 전달자가 수신자로 향하는 어떤 물리적 입자도 이동하지 않음에도 불구하고 정보가 전달될 수 있음을 실험적으로 및 개념적으로 입증하기 위해.
• 오직 반사적 수단만을 사용하여 앨리스가 보브의 고전적 비트를 임의로 높은 정밀도로 전달하기 위해.
• 약한 측정과 일관된 역사 형식론을 동시에 사용하여 개념적이고 실험적으로 탄탄한 검증을 보장하기 위해.

제안 방법

• 앨리스의 광자가 메시지를 지닌 초위상 상태로 준비된 양자 의사소통 프로토콜을 설계하여, 메시지를 지닌 앨리스의 광자가 실제로 보브에게 도달하지 않도록 후선택한다.
• 시스템을 크게 교란하지 않고도 광자가 보브의 경로에 존재하는지 간접적으로 관측하기 위해 약한 측정을 구현한다.
• 반사적 의사소통이 논리적으로 일관됨을 확인하기 위해 개념적 프레임워크를 제공하기 위해 일관된 역사 형식론을 적용한다.
• 광자가 보브와 상호작용한 경로를 걸러내기 위해 후선택을 사용하여, 오직 반사적 궤적만이 메시지에 기여하도록 보장한다.
• 측정 강도와 후선택 조건을 조정하여, 앨리스가 보브의 비트를 배우는 정밀도를 임의로 1에 가까이 만들 수 있도록 프로토콜을 校정한다.
• 반사적 성격과 높은 정밀도를 검증하기 위해 실험적 구현을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 보브에서 앨리스로 향하는 어떤 물리적 입자도 이동하지 않게 하면서도 반사적 의사소통을 실현할 수 있는가?
• RQ2 후선택된 양자 입자를 사용하면 반사적 의사소통의 오류 없는 실험적 증명이 가능한가?
• RQ3 약한 측정과 일관된 역사 이론이 실험적 및 개념적 프레임워크에서 함께 반사적 의사소통을 검증할 수 있는가?
• RQ4 반사적 의사소통의 정밀도를 얼마나 높이면 임의로 1에 가까이 만들 수 있는가?
• RQ5 단일 프로토콜 내에서 검출 오류 범위와 반사적 의사소통 오류 범위를 동시에 제거할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 프로토콜은 메시지를 지닌 앨리스의 광자가 실제로 보브에게 도달한 적이 없기 때문에 반사적 의사소통이 명백하게 입증된다.
• 앨리스가 보브의 비트를 배우는 정밀도를 임의로 1에 가까이 만들 수 있으며, 이는 입자 교환 없이도 고정밀 정보 전송이 가능함을 확인한다.
• 약한 측정은 시스템을 크게 교란하지 않고도 보브의 비트에 대한 정보를 성공적으로 추출하여, 의사소통의 반사적 성격을 확인한다.
• 일관된 역사 형식론은 반사적 방법의 개념적 검증을 제공하여, 논리적 일관성을 확인한다.
• 실험적으로 검출 오류 범위와 반사적 의사소통 오류 범위를 모두 제거하여 진정된 반사적 의사소통의 주장을 강화한다.
• 결과는 반사적 의사소통이 물리 법칙에 의해 본질적으로 금지되어 있다는 지배적인 추측에 도전한다.