[논문 리뷰] Random 'choices' and the locality loophole

Stefano Pironio|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 01.

Quantum Mechanics and Applications참고 문헌 19인용 수 35

한 줄 요약

이 논문은 벨 실험에서 양자 난수 생성기(QRNGs)가 필요하지 않다고 주장한다. 대신 암호학적으로 안전한 의사난수 생성기—예를 들어 소셜 미디어 데이터를 해싱하는 방식—를 사용하면 측정 설정이 예측 불가능하게 만들어져 국소성 틈새를 동일하게 메울 수 있다. 핵심 기여는 이러한 고전적 의사난수 방법이 국소적 숨겨진 변수 이론을 배제하는 데 있어 양자 또는 천체 자료와 동일하게 유효하다는 것이다.

ABSTRACT

It has been claimed that to close the locality loophole in a Bell experiment, random numbers of quantum origin should be used for selecting the measurement settings. This is how it has been implemented in all recent Bell experiment addressing this loophole. I point out in this note that quantum random number generators are unnecessary for such experiments and that a Bell experiment with a pseudo-random (but otherwise completely deterministic) mechanism for selecting the measurement settings, such as taking a hash function of the latest million tweets with the hashtag #quantum, would be as convincing, or even more, than one using quantum random number generators.

연구 동기 및 목표

• 벨 실험에서 국소적 숨겨진 변수 모델을 배제하기 위해 양자 난수 생성기(QRNGs)가 필수적이라는 일반적인 견해에 도전하기 위해.
• 암호학적으로 안전한 의사난수 생성기(PRNGs)가 QRNGs보다 동일하거나 더 나은 난수성을 제공할 수 있음을 보여주기 위해.
• QRNG 기반 실험에서의 난수성 가정이 고전적 PRNGs와 동일한 물리적 가정에 기반한다는 점을 보여주어 QRNGs가 더 근본적이지 않다는 점을 논증하기 위해.
• 원거리 천체 자료(예: 활성은하핵)를 사용해 난수 설정을 만드는 것이, 탐지기 행동에 대한 공통 가정이 존재하기 때문에 고전적 방법보다 본질적으로 더 견고하지 않다는 점을 주장하기 위해.
• 다양한 난수 자료를 조합한 실험 설계의 범위를 넓혀, 점점 더 큰 범위의 음성적 국소적 숨겨진 변수 모델을 배제할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 벨 실험에서 측정 설정을 선택하기 위해 결정론적이고 암호학적으로 안전한 의사난수 생성기(예: 최근 10^6개 트윗을 #quantum로 해싱)를 사용하는 것을 제안한다.
• 두 개별적인 당사자(앨리스와 보브)가 국소적 숨겨진 변수 모델을 시뮬레이션하는 도전 과제로 벨 실험을 모델링하며, 입력이 미래 설정을 예측할 수 없도록 선택한다.
• 도전 과제의 성공 여부는 두 가지 독립적인 조건에 달려 있다: 정보 전파 금지(국소성)와 입력의 예측 불가능성(난수성).
• QRNGs, 천체 난수 자료(예: 활성은하핵의 광자), 고전적 PRNGs에 요구되는 가정을 비교하여, 모두 탐지기 행동에 대한 유사한 물리적 가정에 기반한다는 것을 보여준다.
• 국소적 숨겨진 변수 모델의 관점에서 QRNG의 난수성은 고전적 PRNG의 난수성과 본질적으로 다를 바 없다고 논증한다.
• 더 단순한 고전적 PRNGs를 사용함으로써 국소 실재성의 배제에 동일한 정도의 확신을 얻을 수 있으며, 실험 복잡성을 줄이되 유효성은 유지할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 벨 실험에서 국소성 틈새를 메우기 위해 양자 난수 생성기(QRNGs)를 사용할 필요가 있는가?
• RQ2 암호학적으로 안전한 의사난수 생성기(PRNGs)가 국소적 숨겨진 변수 모델을 배제하기에 충분한 예측 불가능성을 제공할 수 있는가?
• RQ3 활성은하핵과 같은 천체 난수 자료의 가정이 음성적 숨겨진 변수에 대해 고전적 PRNGs의 가정과 비교해 얼마나 견고한가?
• RQ4 QRNGs의 사용이 국소 실재성을 배제하는 데 있어 고전적 PRNGs보다 어떤 본질적 이점도 제공하는가?
• RQ5 다양한 난수 자료(고전적, 양자, 천체)를 조합하면 더 넓은 범위의 국소적 숨겨진 변수 모델을 배제할 수 있는가?

주요 결과

• 암호학적으로 안전한 의사난수 생성기—예를 들어 최근 10^6개 트윗을 #quantum로 해싱한 것—를 사용한 벨 실험은 양자 난수 생성기를 사용한 실험과 동일하게 국소적 숨겨진 변수 모델을 배제하는 데 효과적이다.
• 벨 실험에서의 난수성 조건은 양자 불확정성을 요구하지 않으며, 측정 설정이 참여자들에 의해 예측 불가능해야 한다는 조건만 요구한다. 이 조건은 강력한 고전적 PRNGs가 충족시킬 수 있다.
• 활성은하핵 기반 난수 선택이 음성적 영향에서 자유롭다는 가정은 고전적 PRNGs와 동일한 탐지기 및 측정 과정에 대한 물리적 가정에 기반하며, 이로 인해 천체 접근법이 본질적으로 더 안전하지 않다.
• 국소 실재성을 시험하기 위해 QRNGs를 사용하는 것은 본질적으로 필요하지 않으며, 동일한 정도의 확신을 고전적 방법으로도 확보할 수 있다.
• 다양한 난수 자료(고전적, 양자, 천체)를 사용한 실험들은 단일 방법보다 더 큰 범위의 국소적 숨겨진 변수 모델을 함께 제거할 수 있다.
• 극단적인 음성적 모델을 고려할지라도, PRNG가 암호학적으로 안전하고 실질적으로 측정 설정이 예측 불가능한 한, 고전적 PRNG가 충분하다는 결론은 견고하다.