[논문 리뷰] Loophole-free quantum steering

Bernhard Wittmann, Sven Ramelow외 6명|arXiv (Cornell University)|2011. 11. 03.

Quantum Information and Cryptography인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 국소성, 자유 선택, 공정 샘플링의 틈새를 동시에 보완한 양자 얽힘의 에인슈타인-포돌스키-로젠(Einstein-Podolsky-Rosen, EPR) 스위치링을 처음으로 틈새 없는 실험적으로 구현한다. 고도의 검출 효율성과 빠른 난수 생성을 통해 세 설정의 이차 스위치링 불평등을 위반함으로써, 국소적 실재론 이론의 주요 군집을 배제하고 신뢰할 수 없는 원천으로부터 얽힘을 안전하게 분배할 수 있다.

ABSTRACT

Tests of the predictions of quantum mechanics for entangled systems have provided increasing evidence against local realistic theories. However, there still remains the crucial challenge of simultaneously closing all major loopholes - the locality, freedom-of-choice, and detection loopholes - in a single experiment. An important sub-class of local realistic theories can be tested with the concept of steering. The term steering was introduced by Schrodinger in 1935 for the fact that entanglement would seem to allow an experimenter to remotely steer the state of a distant system as in the Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) argument. Einstein called this spooky action at a distance. EPR-Steering has recently been rigorously formulated as a quantum information task opening it up to new experimental tests. Here, we present the first loophole-free demonstration of EPR-steering by violating three-setting quadratic steering inequality, tested with polarization entangled photons shared between two distant laboratories. Our experiment demonstrates this effect while simultaneously closing all loopholes: both the locality loophole and a specific form of the freedom-of-choice loophole are closed by having a large separation of the parties and using fast quantum random number generators, and the fair-sampling loophole is closed by having high overall detection efficiency. Thereby, we exclude - for the first time loophole-free - an important class of local realistic theories considered by EPR. As well as its foundational importance, loop-hole-free steering also allows the distribution of quantum entanglement secure from an untrusted party.

연구 동기 및 목표

• 한 번의 실험에서 국소성, 자유 선택, 공정 샘플링의 주요 틈새를 모두 제거하는 것.
• 엄격한 조건 하에서 EPR-스위치링을 양자 정보 작업으로 실험적으로 구현하는 것.
• 에인슈타인-포돌스키-로젠(EPR) Paradox에서 제안한 은폐 변수를 통해 얽힘을 설명할 수 있는 국소적 실재론 이론을 배제하는 것.
• 원천이 신뢰할 수 없더라도 양자 얽힘을 안전하게 분배할 수 있도록 하는 것.
• 알려진 틈새가 없는 기초적인 양자 비국소성의 시험을 제공하는 것.

제안 방법

• 두 개의 먼 거리에 있는 실험실 간에 분포된 편광 얽힌 광자 쌍을 사용하여 EPR-스위치링을 시험하는 것.
• 비국소적 상관관계를 탐지하기 위해 세 설정의 이차 스위치링 불평등을 구현하는 것.
• 측정 설정이 예측 불가능하도록 하여 자유 선택의 틈새를 닫기 위해 빠른 양자 난수 생성기를 사용하는 것.
• 국소성의 틈새를 닫기 위해 당사자 간에 큰 공간적 간격을 유지하는 것.
• 공정 샘플링의 틈새를 닫기 위해 높은 총 검출 효율성을 확보하는 것.
• 한 당사자(스위치되는 당사자)가 신뢰할 수 없음을 가정한 벨 유형의 테스트 프레임워크를 스위치링에 적응하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 한 번의 실험에서 어떤 틈새도 없이 EPR-스위치링을 입증할 수 있는가?
• RQ2 틈새 없는 스위치링 테스트로 국소적 실재론 이론은 어느 정도까지 배제될 수 있는가?
• RQ3 높은 검출 효율성과 난수 측정 설정이 양자 비국소성의 안전하고 신뢰할 수 있는 테스트를 보장할 수 있는가?
• RQ4 틈새 없는 스위치링이 신뢰할 수 없는 원천을 사용한 안전한 양자 통신을 가능하게 하는가?
• RQ5 모든 주요 실험적 틈새를 닫는 조건에서 EPR-스위치링 효과를 검증할 수 있는가?

주요 결과

• 실험은 세 설정의 이차 스위치링 불평등에 대한 틈새 없는 위반을 달성하여, 알려진 틈새가 없는 조건에서 EPR-스위치링을 확인하였다.
• 두 개의 먼 거리에 있는 실험실 간의 큰 간격을 유지함으로써 국소성의 틈새가 닫혔다.
• 빠른 양자 난수 생성기를 사용하여 측정 설정을 선택함으로써 자유 선택의 틈새가 닫혔다.
• 측정 장치에서 높은 총 검출 효율성을 확보함으로써 공정 샘플링의 틈새가 닫혔다.
• 아인슈타인, 포돌스키, 로젠이 제안한 국소적 실재론 이론의 주요 군집이 배제되었다.
• 원천이 신뢰할 수 없더라도 얽힘의 안전한 분배가 가능해졌으며, 이는 양자 암호화 분야의 새로운 응용 가능성을 열었다.