[논문 리뷰] Reply to L.Vaidman's comment on "Asking photons where they have been in plain language"

D. Sokolovski|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 07.

Climate Change Communication and Perception인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 광자가 고전적으로 진입하지 않은 영역, 예를 들어 내장된 간섭계에서 '지나간 적이 있었다'고 주장하는 양자 약한 측정의 해석을 도전한다. 이는 '약한 흔적' 기준—입자의 과거를 유추하는 데 쓰이는 것—이 양자 확률 보편량의 오해에 기반하며, 약한 값이 아니라, 물리적 존재를 의미하는 것이 아니라고 주장한다. 이러한 오해는 광자의 경로에 관해 물리적으로 잘못된 결론을 이끌어낸다.

ABSTRACT

Vaidman's analysis of the photon's past is based on incorrect interpretation of quantum probability amplitudes. The confusion stems from his original work [{\it Phys. Rev. Lett.} extbf{60}, 1351 (1988)], which missed the connection between the amplitudes and the "weak values" introduced therein.

연구 동기 및 목표

• F1에서 광자가 들어오지도 않고 나가지도 않은 내장된 간섭계에 '지나간 적이 있었다'고 주장하는 바를 반박하기 위해.
• 바이다만이 제안한 '약한 흔적' 기준이 양자 확률 보편량의 오해에 기반한다는 것을 명확히 하기 위해.
• 약한 측정의 형식이 잘못 적용될 경우 양자 입자의 과거에 관해 물리적으로 잘못된 결론을 이끌어낸다는 것을 보여주기 위해.
• 피파인의 경로 합산 원리에 기반한 표준 양자역학은 가시적 증거 없이선 입자의 과거에 대해 확정적인 진술을 허용하지 않는다는 점을 강조하기 위해.
• 비제로인 약한 값이 입자가 특정 위치에 존재했다는 것을 의미하는 오해를 바로잡기 위해, 실제로는 비제로 보편량 기여만을 나타내기 때문이다.

제안 방법

• F1의 간섭계 설정을 분석하여 검출기로 향하는 세 가지 기여 경로를 확인한다: 점 C를 통한 경로, 그리고 E→A→F 및 E→B→F 경로.
• 표준 양자역학을 사용해 정규화된 확률 보편량(αj = Aj / ΣAi)을 계산하며, 이는 약한 측정이 이러한 보편량의 가중 평균을 제공한다는 것을 보여준다.
• 비제로인 약한 값(또는 흔적)은 물리적 존재를 의미하는 것이 아니라, 비제로 보편량 기여만을 나타낸다는 원리를 적용한다.
• E와 F에서의 약한 흔적이 0임을 보여주며, 이는 αEAF = -αEBF라는 조건이 간섭계 설계에 내재되어 있음을 시사한다.
• BS1–BS2 또는 BS3–BS4 지점의 길을 막는 사고 실험을 적용하여 약한 흔적 기준의 타당성을 시험한다.
• 간섭이 존재할 때는 경로를 확정적으로 부여하지 말 것에 대한 피파인의 경고를 인용하며, 사전·사후 선택된 시스템에 대해 확정적인 과거가 존재하지 않는다는 아이디어를 기각한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 약한 측정을 통해 광자가 고전적으로 진입하지 않은 영역에 '지나간 적이 있었다'고 말할 수 있는가?
• RQ2 약한 흔적 기준은 양자 입자의 과거 위치를 정확히 유추하는 데 적합한가?
• RQ3 비제로인 약한 값은 양자 보편량 측면에서 어떻게 정확히 해석되어야 하는가?
• RQ4 작은 누설 신호의 존재는 약한 흔적 유추의 타당성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 간섭계의 특정 지점을 차단하면, 광자가 내장된 루프에 있었다는 주장이 반박될 수 있는가?

주요 결과

• 약한 흔적 기준은 양자 확률 보편량을 물리적 존재의 지표로 오해하여 광자의 과거에 관해 잘못된 결론을 이끌어낸다.
• A, B, C에서의 비제로 약한 흔적은 해당 보편량 기여가 비제로임을 나타낼 뿐, 광자가 실제로 그 곳에 물리적으로 존재했다는 것을 의미하지는 않는다.
• E와 F에서의 약한 흔적이 0임은 E→A→F 및 E→B→F 경로의 보편량이 크기는 같고 부호는 반대임을 나타내며, 이는 간섭계 설계에 명시적으로 내재된 조건이다.
• BS1–BS2 지점을 차단하면 A와 B의 검출기에서 신호가 사라지며, 이는 이러한 신호들이 광자의 내장된 루프 내 보편량에 의존한다는 것을 증명한다. 이는 광자가 그곳에 들어가지 않았다는 주장과 모순된다.
• E와 F에서의 작은 누설 신호는 무시할 수 없으며, A와 B에서의 강한 신호에 필수적이다. 이 신호가 없으면 관측된 결과가 무효가 된다.
• 광자가 들어오지도 않고 나가지도 않은 내장된 간섭계에 있었다는 주장은 물리적으로 정당하지 않으며, 피파인이 경고한 바와 같이 표준 양자역학과도 정면으로 배치된다.