[논문 리뷰] Violation of Bell's inequality in the presence of superselection rules

Tomasz Paterek, Paweł Kurzyński외 2명|arXiv (Cornell University)|2010. 04. 29.

Quantum Mechanics and Applications참고 문헌 1인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 초선택 규칙(SSRs)이 허용 가능한 양자 연산과 기준 프레임을 제한함으로써 벨 부등식 위반을 어떻게 제약하는지 조사한다. 국소적 기준 프레임만으로는 벨 부등식을 위반할 수 없음을 도출하며, 최소 크기와 재사용 가능성이 높은 최적의 기준 프레임을 규명하고, 유도된 SSR 하에서의 위반을 보여주는 새로운 실험을 제안한다.

ABSTRACT

Superselection rules (SSRs) constrain the allowable physical operations and consequently the ability to observe violations of local realism. Not only do SSRs restrict the type of states which can be prepared, equally they restrict the reference frames which are necessary for measurements. Here, we derive quantitative conditions under which a Bell inequality is violated in the presence of SSRs which reveal the critical role of reference frames. In particular, references prepared only locally in accordance with SSRs cannot be used to violate a Bell inequality. We discuss the optimal reference frames, their minimal size and reusability. Finally we comment on experiments related to Bell inequality and single photon non-locality, and propose a new experiment showing violation under an induced SSR. ‡ Corresponding author. ar X iv :1 00 4. 51 84 v2 [ qu an tph ] 1 6 Ju n 20 10 Violation of Bell’s inequality in the presence of superselection rules 2

연구 동기 및 목표

• 초선택 규칙(SSRs)이 양자역학에서 국소적 실재성 위반 관측 능력을 어떻게 제한하는지 이해하는 것.
• SSRs가 존재하는 상황에서도 벨 부등식이 여전히 위반될 수 있는 조건을 규명하는 것.
• SSRs 하에서 벨 부등식 위반을 가능하게 하는 기준 프레임의 역할과 요구 조건을 규명하는 것.
• 그러한 위반을 가능하게 하는 최적의 기준 프레임의 최소 크기와 재사용 가능성 특성을 규명하는 것.
• 유도된 초선택 규칙 하에서의 벨 부등식 위반을 보여주는 새로운 실험적 설정을 제안하는 것.

제안 방법

• 양자정보이론을 사용하여 초선택 규칙이 존재하는 상황에서 벨 부등식이 위반될 수 있는 수학적 조건을 유도한다.
• 특히 기준 프레임 의존성에 중점을 두고, SSR이 상태 준비 및 측정 연산에 가하는 제약 조건을 분석한다.
• 벨 부등식 위반을 위해 국소적이지 않은 기준 프레임이 필수적임을 규명하며, 국소적으로 준비된 기준 프레임은 부족함을 보여준다.
• SSRs 하에서 위반을 달성하기 위해 필요한 기준 프레임의 최소 크기와 재사용 가능성 수준을 정량화한다.
• 유도된 초선택 규칙 하에서의 벨 부등식 위반을 시험하기 위한 단일 광자를 포함한 새로운 실험 프rotocol을 제안한다.
• 양자역학적 형식을 사용하여 SSR, 얽힘, 비국소성 간의 상호작용을 측정 맥락에서 모델링한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초선택 규칙이 허용 가능한 연산과 상태를 제한할 때, 벨 부등식이 어떤 조건에서 위반될 수 있는가?
• RQ2 왜 초선택 규칙 하에서 국소적으로 준비된 기준 프레임은 벨 부등식 위반 관측에 부적합한가?
• RQ3 초선택 규칙 하에서 벨 부등식 위반을 가능하게 하는 기준 프레임의 최소 크기와 재사용 가능성 요구 조건은 무엇인가?
• RQ4 어떻게 하면 유도된 초선택 규칙 하에서의 벨 부등식 위반을 보여주는 새로운 실험을 설계할 수 있는가?
• RQ5 초선택 규칙 제약 하에서 비국소 상관관계를 유지하는 데 있어 비국소적 기준 프레임의 역할은 무엇인가?

주요 결과

• 초선택 규칙에 따라 준비된 국소적 기준 프레임은 벨 부등식 위반에 사용될 수 없다.
• 초선택 규칙이 존재하는 상황에서 벨 부등식 위반을 달성하기 위해 비국소적 기준 프레임이 필수적이다.
• 논문은 SSR 하에서 벨 부등식 위반이 가능한지 여부를 결정하는 정량적 조건을 도출한다.
• 최적의 기준 프레임는 최소 크기를 가져야 하며, 특정 조건 하에서 재사용 가능해야 비국소성을 관측할 수 있는 능력을 유지한다.
• 제안된 실험은 단일 광자를 사용하여 유도된 초선택 규칙 하에서의 벨 부등식 위반 관측이 가능한 길을 보여준다.
• 결과는 기본 물리적 제약 하에서 국소적 실재성 테스트에 있어 기준 프레임 선택과 구조의 핵심적 역할을 부각시킨다.