[논문 리뷰] Test to separate quantum theory from non-signaling theories

Rui Chao, Ben W. Reichardt|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 06.

Quantum Mechanics and Applications참고 문헌 39인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 비전송성 상관관계의 비이행성 특성을 이용하여 양자역학과 고전적 비신호 이론을 구별하는 다자 게임 테스트를 제안한다. 3-party CHSH 유사 게임을 통해 양자 장치는 두 당사자 간 비신호 상관관계만을 사용하는 고전적 장치보다 승리 확률이 5.1% 높으며, 이는 양자 얽힘의 고전적 자원보다 본질적으로 더 강력함을 실험적으로 검증 가능한 방식으로 보여준다.

ABSTRACT

A Bell test separates quantum mechanics from a classical, local realist theory of physics. However, a Bell test cannot separate quantum physics from all classical theories. Classical devices supplemented with non-signaling correlations, e.g., the Popescu-Rohrlich "nonlocal box," can pass a Bell test with probability at least as high as any quantum devices can. After all, quantum entanglement does not allow for signaling faster than the speed of light, so in a sense is a weaker special case of non-signaling correlations. It could be that underneath quantum mechanics is a deeper non-signaling theory. We present a test to separate quantum theory from powerful non-signaling theories. The test extends the CHSH game to involve three space-like separated devices. Quantum devices sharing a three-qubit GHZ state can pass the test with probability 5.1% higher than classical devices sharing arbitrary non-signaling correlations between pairs. More generally, we give a test that k space-like separated quantum devices can pass with higher probability than classical devices sharing arbitrary (k-1)-local non-signaling correlations.

연구 동기 및 목표

• 양자역학이 고전적 비신호 이론보다 본질적으로 더 강력한가 하는 열린 질문을 다루기.
• 양자 한계를 초월하는 비신호 상관관계를 배제하지 못하는 벨 테스트의 격차를 메우기.
• 양자 얽힘과 두 지역 비신호 자원을 분리할 수 있는 강건하고 실험적으로 검증 가능한 게임을 설계하기.
• 임의의 조합으로 이루어진 두 당사자 비신호 상관관계로도 양자 상관관계를 시뮬레이션할 수 없음을 보여주기.

제안 방법

• 3 큐비트 GHZ 상태를 사용하여 CHSH 게임을 3명의 공간적으로 분리된 당사자로 확장하기.
• 찰리가 X 또는 Z 기저에서 측정하도록 설계하여, 앨리스와 박스가 어떤 기저가 사용되었는지 알 수 없도록 하는 상황 만들기.
• Bell 측정을 통한 얽힘 전달을 이용해 앨리스와 박스 사이에 비국소적 상관관계를 생성하기. 이 상관관계는 두 당사자 비신호 자원으로는 재현될 수 없다.
• 임의의 두 지역 비신호 상관관계를 공유하는 고전적 플레이어가 양자 플레이어만큼의 승리 확률을 달 đạt할 수 없음을 증명하기.
• 일致성 검증과 확률 한계 분석을 통해 승리 확률의 엄격한 분리를 보여주기.
• 결과를 k+2명의 당사자로 일반화하여, k-지역 비신호 상관관계가 (k+1)-지역 양자 상관관계를 시뮬레이션할 수 없음을 보여주기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자 얽힘은 양자역학을 초월하는 강도의 고전적 비신호 상관관계와 실험적으로 구별될 수 있는가?
• RQ2 양자 플레이어가 두 당사자 비신호 상관관계만을 사용할 때, 고전적 플레이어를 능가하는 게임이 존재하는가?
• RQ3 비신호 자원의 비이행성 특성을 이용하여, 양자 이론과 비신호 이론을 분리하는 테스트를 만들 수 있는가?
• RQ4 양자 전략과 비신호 전략 간의 승리 확률 격차는 일정한 오차 하에서도 강건한가?
• RQ5 3명 초과의 당사자로 일반화할 수 있는가? 즉, k-지역 비신호 상관관계가 (k+1)-지역 양자 상관관계를 시뮬레이션할 수 없는가?

주요 결과

• 3 큐비트 GHZ 상태를 공유하는 양자 장치는 두 당사자 비신호 상관관계만을 사용하는 고전적 장치보다 3-party 게임에서 5.1% 높은 승리 확률을 달성한다.
• 승리 확률 격차는 일정한 오차에 대해 강건하여 실험적으로 실현 가능하다.
• 비신호 자원은 전송될 수 없으며, 반면 양자 얽힘은 전달 가능하므로, 얽힘 전달을 통해 두 당사자 비신호 상자로 재현할 수 없는 상관관계를 생성할 수 있다.
• k+2명의 당사자에 대해, 양자 플레이어는 (k-1)-지역 비신호 상관관계만을 사용하는 고전 플레이어보다 높은 확률로 일반화된 게임에서 승리할 수 있다.
• 분석 결과, 고전 전략의 승리 확률은 CHSH+k 게임에서 1/(2(3^k + 1)) 이하로 제한되며, 반면 양자 전략은 훨씬 뛰어난 성능을 보인다.
• 결과적으로, 양자 상관관계는 비신호 이론과 마찬가지로 비신호이지만, 두 지역 비신호 상관관계보다 본질적으로 더 강력하다.