[논문 리뷰] Quantum nonlocality: How does Nature perform the trick?(1)

Nicolas Gisin|arXiv (Cornell University)|2009. 01. 01.

Quantum Mechanics and Applications참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 공간적으로 분리된 양자 시스템 간의 상관관계를 분석하여 양자 비국소성을 조사한다. 양자역학이 국소적 숨겨진 변수 이론보다 더 강한, 인과적 분리가 불가능한 상관관계를 예측한다는 것을 보여준다. 핵심 기여는 양자 이론이 얽힌 시스템을 완전히 기술함에도 불구하고, 고전적 상관관계 개념으로는 설명할 수 없는 비국소성을 초래한다는 점을 입증하는 것이다. 이는 국소성과 실재성에 대한 고전적 직관을 도전한다.

ABSTRACT

Since our early childhood we know in our bones that in order to interact with an object we have either to go to it or to throw something at it. Yet, contrary to all our daily experience, Nature is nonlocal: there are spatially separated systems that exhibit nonlocal correlations. In recent years this led to new experiments, deeper understanding of the tension between quantum physics and relativity and to proposals for disruptive technologies. Consider two spatially separated quantum systems, one controlled by Alice, the other by Bob, in a pure state . Alice and Bob may perform some measurements x and y on their systems and collect the results a and b, respectively. This situation is described by a conditional probability distribution p (a,bj x,y). In general this correlation doesn’t factorize: p (a,bj x,y) 6 p (aj x) � p (bj y), i.e. the two systems are correlated. At first, this is no surprise, correlations are everywhere. For example, consider two cups of the same color, either both red or both green, one in Alice’s and one in Bob’s hands. If they looks at the color of their cups, Alice and Bob’s results are correlated. In this example the origin of the correlation is obvious, Alice and Bob had only partial information: they knew that both have the same color, but they ignored which color. This differs deeply from the quantum situation, as quantum theory claims that a pure state provides a complete description of the two systems. This led EPR[2] to believe that quantum theory is incomplete in the same sense as the description ”of the same color” provides only an incomplete description of the color state of the cups.

연구 동기 및 목표

• 얽힌 시스템에서의 양자 비국소성의 기원과 성격을 이해하기 위해.
• 공유된 컵의 색상 같은 전통적 상관관계(예: 공유 정보 기반)와, 정보가 불완전한 것으로 설명할 수 없는 양자 상관관계를 대비하기 위해.
• 양자역학이 시스템을 완전히 기술하고 있음에도 불구하고 여전히 비국소적 상관관계를 예측하는 이유를 명확히 하기 위해.
• 양자역학과 상대성 이론 간의 비국소성에 대한 기초적 갈등을 검토하기 위해.
• 양자 기술 및 양자 이론의 기초적 해석에 대한 영향을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 앨리스와 보브 사이에서 공유된 순수 얽힌 상태에 있는 이량자 시스템을 분석한다.
• 측정 결과 a와 b를 국소 측정 x와 y 하에서 조건부 확률 p(a,b|x,y)로 모델링한다.
• 국소적 숨겨진 변수 모델과의 대비를 위해 요약 조건 p(a,b|x,y) ≠ p(a|x)p(b|y)를 사용하여 양자 상관관계와 고전적 상관관계를 비교한다.
• EPR 역설을 개념적 프레임워크로 삼아 고전적 숨겨진 변수 모델과 양자역학을 대비한다.
• 양자역학이 완전한 기술을 제공하지만 여전히 비국소적 상관관계를 예측한다는 점을 강조한다.
• 비국소성이 불완전한 정보 때문이 아니라, 양자 상태의 내재적 구조에서 기인한다는 점을 부각한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 순수 상태로 완전히 기술된 양자 시스템이 비국소적 상관관계를 보이는 이유는 무엇인가?
• RQ2 양자 비국소성은 공유 정보 기반의 고전적 상관관계와 근본적으로 어떻게 다를까?
• RQ3 양자 상태 기술의 완전성이 비국소성 생성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 EPR 논증이 양자역학에서 비국소성을 배제하지 못하는 이유는 무엇인가?
• RQ5 양자이론에서 비국소성의 기초적 및 기술적 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 양자 비국소성은 양자 상태가 시스템에 대한 완전한 기술임에도 불구하고 발생하며, 고전적 직관과 모순된다.
• 양자역학의 비국소적 상관관계는 공유된 고전적 정보나 은밀한 변수로는 설명할 수 없다.
• p(a,b|x,y) ≠ p(a|x)p(b|y)의 분해 실패는 불완전한 지식이 아니라 비국소성의 징후이다.
• EPR 논증이 비국소성이 불완전성을 암시한다고 보는 가정은 양자역학에서는 잘못된 것이다.
• 양자 비국소성은 이론의 실패가 아니라 자연의 근본적 특성이며, 새로운 양자 기술의 기초가 된다.
• 논문은 비국소성이 양자역학에 내재되어 있으며, 완전한 상태 기술이 있음에도 지속된다는 점을 확립한다.