[논문 리뷰] Does Quantum Nonlocality Exist? Bell's Theorem and the Many-Worlds Interpretation

Frank J. Tipler|ArXiv.org|2000. 03. 30.

Quantum Mechanics and Applications참고 문헌 3인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 벨 정리가 암시하는 양자 비국소성은 파동함수 붕괴를 가정함에 따라 발생하는 산물이며, 다중세계 해석(MWI)을 사용하여 실제로는 비국소적 상호작용이 아니라, 두 개의 얽힌 입자에 대한 측정과 결과 비교를 포함하는 순차적인 세 번의 국소적 측정에서 비롯된 것으로 보여준다. 이에 따라 국소성이 회복되며, 비국소성 실험 결과는 실제로는 MWI를 지지하는 것으로 해석된다.

ABSTRACT

Quantum nonlocality may be an artifact of the assumption that observers obey the laws of classical mechanics, while observed systems obey quantum mechanics. I show that, at least in the case of Bell's Theorem, locality is restored if observed and observer are both assumed to obey quantum mechanics, as in the Many-Worlds Interpretation. Using the MWI, I shall show that the apparently "non-local" expectation value for the product of the spins of two widely separated particles --- the "quantum" part of Bell's Theorem --- is really due to a series of three purely local measurements. Thus, experiments confirming "nonlocality" are actually confirming the MWI.

연구 동기 및 목표

• 벨 정리에서 파동함수 붕괴를 가정하는 것의 재고를 통해 양자역학과 상대성 이론 사이의 명백한 갈등을 해결하고자 한다.
• 양자 비국소성이 본질적인 것이 아니라 고전적 관측자 가정에 기인한 산물임을 보여주고자 한다.
• 다중세계 해석(MWI)이 두 입자와 관측자 모두를 양자 시스템으로 간주함으로써 국소성을 복원함을 보여주고자 한다.
• 벨 정리가 예측하는 양자 상관관계가 비국소적 영향이 아니라 순차적인 국소적 측정에서 유래됨을 증명하고자 한다.
• 비국소성이 실험적으로 확인된 결과는 비국소성 자체를 지지하는 것이 아니라, 오히려 MWI를 지지하는 것임을 주장하고자 한다.

제안 방법

• 측정 과정을 유니터리 진화 연산자 U₁과 U₂를 사용하여 모델링함으로써 측정 장치를 입자 1과 2의 스핀 상태와 얽히게 한다.
• 양자역학의 선형성을 적용하여, 스инг렛 상태 |Ψ⟩ = (|↑↓⟩ - |↓↑⟩)/√2와 같은 초위상 상태로의 측정 과정을 확장한다.
• MWI를 사용하여 측정 결과를 각기 다른 결과값을 갖는 다수의 세계로 분열하는 것으로 해석한다.
• 각 세계의 중첩 상태 계수의 제곱값으로 가중한 총합을 통해 스핀 곱의 기대값을 계산한다.
• 두 멀리 떨어진 관측자로부터의 결과를 비교하기 위한 제3의 국소적 측정을 도입함으로써 상관관계를 복원하고 측정 설정의 상대적 방향을 정의한다.
• 결과 기대값이 스инг렛 상태로부터 유도된 양자역학적 예측인 −cosθ = −𝐧₁·𝐧₂와 정확히 일치함을 보여주며, 비국소성은 전혀 존재하지 않는다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자 비국소성은 진정으로 존재하는가, 아니면 양자역학에서 고전적 관측자를 가정함에 따라 발생하는 환영인가?
• RQ2 벨의 정리가 예측하는 상관관계는 비국소적 영향 없이 설명될 수 있는가?
• RQ3 다중세계 해석은 파동함수 붕괴와 원거리 상호작용의 필요성을 어떻게 제거하는가?
• RQ4 결과 비교를 위한 제3의 측정은 시공간적으로 분리된 측정 간의 상관관계를 유지하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 벨 불평등을 실험적으로 확인한 결과는 비국소성을 확인한 것이 아니라 오히려 다중세계 해석을 확인한 것인가?

주요 결과

• 벨 정리에서 나타나는 비국소성은 즉각적인 영향 때문이 아니라, 두 개의 얽힌 입자에 대한 측정과 결과 비교를 포함하는 순차적인 세 번의 국소적 측정에서 기인한다.
• 스핀 곱의 양자 기대값 ⟨σ₁·σ₂⟩ = −𝐧₁·𝐧₂는 MWI에서 다수의 세계에 대한 가중 평균으로 재현되며, 확률은 계수의 제곱값으로 주어진다.
• 멀리 떨어진 입자 간의 상관관계는 비국소적 신호 전파가 아니라, 한 세계 내에서 측정 기록을 국소적으로 비교함으로써 유지된다.
• MWI는 벨 불평등이 의존하는 단일 결과값의 가정을 피하므로 비국소성 결론을 우회할 수 있다.
• 벨 유형의 불평등을 실험적으로 확인한 결과는 비국소성을 확인한 것이 아니라, 국소적 유니터리 진화와 분열을 고려할 때 일관된 MWI를 확인한 것으로 볼 수 있다.
• 파동함수 붕괴를 가정하는 것이 비국소성 환영의 근본 원인이다. 이 가정이 없으면 MWI 틀 안에서 모든 과정은 엄밀히 국소적이다.