[논문 리뷰] Quantum correlations in Newtonian space and time: arbitrarily fast communication or nonlocality

Nicolas Gisin|arXiv (Cornell University)|2012. 10. 27.

Quantum Mechanics and Applications참고 문헌 34인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 양자 얽힘을 연속성 원칙을 준수하는 인과 모델—즉, 영향력이 뉴턴식 선호 기준 프레임에서 유한한 속도로, 가능하면 초광속으로 전파되는 인과 모델—으로 설명할 수 있는지 조사한다. 이는 국소적 공통 원인과 직접 원인을 조합한 모든 그러한 모델이 본질적으로 초광속 신호 전송을 야기함을 증명하며, 이는 자연이 비국소적이거나 초광속 통신이 가능하다는 것을 의미한다. 따라서 고전적 인과성과 국소성에 대한 직관을 도전한다.

ABSTRACT

We investigate possible explanations of quantum correlations that satisfy the principle of continuity, which states that everything propagates gradually and continuously through space and time. In particular, following [J.D. Bancal et al, Nature Physics 2012], we show that any combination of local common causes and direct causes satisfying this principle, i.e. propagating at any finite speed, leads to signalling. This is true even if the common and direct causes are allowed to propagate at a supraluminal-but-finite speed defined in a Newtonian-like privileged universal reference frame. Consequently, either there is supraluminal communication or the conclusion that Nature is nonlocal (i.e. discontinuous) is unavoidable.

연구 동기 및 목표

• 양자 상관관계가 인과 모델에 의해 설명될 수 있는지 평가하는 것—즉, 모든 영향력이 공간과 시간을 통해 유한한 속도로 점진적으로 전파되는 연속성 원칙을 만족하는 모델.
• 선호 기준 프레임에서 유한하지만 초광속인 속도로 전파되는 국소적 공통 원인과 직접 원인의 조합이 양자 상관관계를 설명하면서도, 신호 전송 없이 가능할지 검토하는 것.
• 그러한 모델이 신호 전송을 피할 수 있는지 여부를 판단하거나, 그렇지 않다면 고전 수준에서 반드시 초광속 통신으로 이어지는지 확인하는 것.
• 상대성 이론을 가정하지 않은 상황에서 벨 부등식 위반의 기초적 의미를 밝히기 위해, 보편적 기준 프레임이 존재하는 뉴턴 프레임을 고려하는 것.
• 비국소성이 초광속 신호 전송의 唯一한 대안이 아니라는 가정을 도전하기 위해, 유한 속도 인과 모델조차도 본질적으로 비국소적이지 않다면 반드시 신호 전송을 야기한다는 것을 보여주는 것.

제안 방법

• 모든 영향력이 보편적 선호 기준 프레임 내에서 유한한 속도 v로 전파되는 'v-인과 모델'로 인과 모델을 형식화하는 것.
• 모든 영향력이 유한한 속도 v < ∞로 전파되는 조건에서, 국소적 공통 원인(CC)과 직접 원인(DC)을 하나의 인과 구조 안에 통합하는 일반적 프레임워크 정의.
• 이러한 v-인과 모델에 대해 벨 유형 부등식 유도—연속성 원칙을 만족하는 모든 모델은 S ≤ 7를 따라야 함을 보여주는 것.
• 이 부등식을 사용하여, 양자 상관관계가 이 경계를 위반한다면, 어떤 v 값이라도 모델이 반드시 신호 전송을 허용해야 한다는 것을 보여주는 것.
• 공간적으로 분리된 측정의 경우에 이를 적용하여, 보편적 선호 기준 프레임이 존재하는 뉴턴 프레임에서도, 유한 속도 영향력으로 상관관계를 설명하면 초광속 신호 전송을 피할 수 없다는 것을 보여주는 것.
• 선호 기준 프레임 내에서의 신호 전송의 함의를 분석하고, 시간 역학적 역설을 유발하지 않음을 증명함으로써 논리적 모순은 배제되나 물리적 모순은 배제되지 않는다는 것을 보여주는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유한한 속도로, 가능하면 초광속으로 전파되는 국소적 공통 원인과 직접 원인의 조합이 뉴턴식 선호 기준 프레임 내에서 양자 상관관계를 설명할 수 있는가?
• RQ2 모든 영향력이 공간과 시간을 통해 점진적으로 전파되는 연속성 원칙이, 신호 전송 없이도 양자 상관관계를 국소적으로 설명할 수 있는가?
• RQ3 유한 속도 인과 모델이 양자 상관관계를 설명한다면, 이는 고전적 측정 설정과 결과 수준에서 반드시 초광속 신호 전송으로 이어지는가?
• RQ4 비상대성 이론적, 선호 기준 프레임 내에서도 인과 영향력에 대해 유한한 속도 v를 유지하면서도 신호 전송을 피할 수 있는가?
• RQ5 유한 속도 인과 설명이 양자 상관관계에 대해 배제될 경우, 특히 비국소성과 물리적 실재의 본질에 관해 어떤 기초적 함의를 갖는가?

주요 결과

• 모든 유한한 속도 v(초광속 포함)로 전파되는 국소적 공통 원인과 직접 원인을 조합한 v-인과 모델은 양자 상관관계를 재현하면 반드시 신호 전송을 야기한다.
• 논문은 이러한 모델이 본질적으로 비국소적이지 않다면, 무결성 원칙을 만족하지 못하며, 따라서 연속성 원칙을 국소적 인과 설명에서 유지할 수 없다는 것을 증명한다.
• 모든 v-인과 모델에 대해 S ≤ 7의 경계를 도출하며, 양자적 위반(예: S ≈ 7.3)은 이러한 모델이 무신호 원칙과 일관되지 않음을 암시한다.
• 보편적 선호 기준 프레임이 존재하는 뉴턴 프레임에서도, 양자 상관관계를 재현하는 유한 속도 인과 모델은 고전적 수준에서 반드시 초광속 통신을 허용한다.
• 이러한 모델을 통한 신호 전송 가능성은 숨겨진 영향력이 '본질적으로 숨겨져 있을 수 있다'는 생각을 배제한다—그것들은 통신에 사용 가능해야 한다.
• 연속성 원칙을 유지하고 초광속 신호 전송을 거부하는 한, 자연이 비국소적(즉, 비연속적)임을 피할 수 없다는 결론은 피할 수 없다. 이는 뉴턴적 맥락에서도 마찬가지다.