[논문 리뷰] A first experimental test of de Broglie-Bohm theory against standard quantum mechanics

G. Brida, E. Cagliero외 4명|arXiv (Cornell University)|2002. 06. 28.

Quantum Mechanics and Applications인용 수 38

한 줄 요약

이 실험은 이중 슬릿 장치에서의 타입 I 파라메트릭 다운컨버전을 통해 생성된 얽힌 광자를 이용하여 드 브로일-볼름(dBB) 이론을 표준 양자역학(SQM)과 대비한다. dBB 이론은 슬릿의 대칭축을 기준으로 두 검출기가 같은 반평면에 있을 경우 0개의 동시 발생을 예측하지만, 실험에서는 배경보다 8 표준편차 높은 명확한 동시 발생 피크를 관측하여 SQM를 지지하고 dBB 이론을 실험 조건 하에서 반증한다.

ABSTRACT

De Broglie - Bohm (dBB) theory is a deterministic theory, built for reproducing almost all Quantum Mechanics (QM) predictions, where position plays the role of a hidden variable. It was recently shown that different coincidence patterns are predicted by QM and dBB when a double slit experiment is realised under specific conditions and, therefore, an experiment can test the two theories. In this letter we present the first realisation of such a double slit experiment by using correlated photons produced in type I Parametric Down Conversion. Our results confirm QM contradicting dBB predictions.

연구 동기 및 목표

• dBB 이론과 표준 양자역학(SQM)을 서로 다른 예측을 내놓는 영역에서 대비하기 위해 실험을 수행한다.
• 비국소적 양자 포텐셜에 의해 이끌리는 입자 궤적을 제안하는 dBB 이론이 동일한 입자를 포함한 이중 슬릿 실험에서 SQM 예측을 재현할 수 있는지 조사한다.
• dBB 이론이 이중 슬릿의 중앙 대칭축을 기준으로 두 검출기가 같은 반평면에 있을 경우 0개의 동시 발생을 예측하는지 확인한다.
• dBB와 SQM가 다른 결과를 도출하는 조건에서, 관련 광자를 이용한 구성에서 dBB 이론에 대한 결정적인 실험적 검증을 제공한다.

제안 방법

• 351 nm 펌프 레이저가 리튬 요오드화물 결정에서의 타입 I 파라메트릭 다운컨버전을 통해 얽힌 광자 쌍을 생성한다.
• 균일한 702 nm 광자는 100 µm 간격과 10 µm 폭을 가진 이중 슬릿(유리 기판에 광리소그래피 기반으로 제작)을 향해 도달한다.
• 각각 702 nm, 4 nm FWHM 간섭 필터와 6 mm 직경, 25.4 mm 초점거리 렌즈를 거친 EG&G 단일 광자 검출기가 슬릿에서 1.21 m와 1.5 m 거리에 위치한다.
• 동시 발생 사건은 시간-강도 변환기(TAC)와 2.6 ns 시간 창을 가진 단일 채널 분석기를 사용하여 측정된다.
• 배경 수준은 TAC 지연를 16 ns 이동시킨 후 원시 데이터에서 빼내어 추정된다.
• 회절 효과와 간섭 항목을 포함하는 공식을 사용하여 이론적 동시 발생 패턴을 계산하며, 핵심 항목은 cos[ks(sinθ₁ − sinθ₂)]이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 dBB 이론은 이중 슬릿의 중앙 대칭축을 기준으로 두 검출기가 같은 반평면에 있을 경우 0개의 동시 발생을 예측하는가?
• RQ2 이중 슬릿 장치에서의 얽힌 광자 실험 결과는 표준 양자역학의 예측과 dBB 이론의 예측 중 어느 쪽과 일치하는가?
• RQ3 동일한 입자를 포함한 이중 슬릿 실험에서 dBB 이론의 비교교차 궤적 예측 위반을 관측할 수 있는가?
• RQ4 특정 조건 하에서 dBB 궤적의 비에르고딕성은 실험적으로 감지 가능한가?

주요 결과

• 두 검출기가 대칭축으로부터 각각 -1.4 cm와 -5.5 cm 위치에 있을 때, 배경을 제거한 후 30분당 78 ± 10회의 동시 발생 피크가 명확히 관측되었다.
• dBB 이론은 이 구성에서 동시 발생 수가 0이 되기를 예측하지만, 관측된 신호는 0보다 8 표준편차 높아 dBB 이론과 강하게 모순된다.
• 두 검출기를 같은 반평면에 -4.44 cm와 -11.7 cm에 놓았을 때도 유의미한 동시 발생 신호를 측정하였으며, 17회의 1시간 단위 측정에서 1시간당 41 ± 14회의 동시 발생이 관측되었다.
• 관측된 동시 발생 패턴은 간섭과 회절 항목을 포함하는 공식에 의해 주어지는 SQM 예측과 일치하여 양자역학적 기술이 확인되었다.
• 한 개의 슬릿을 차단했을 때 동시 발생 피크가 사라지고, 해당 검출기의 신호는 배경 수준으로 떨어졌으며, 이는 두 광자가 서로 다른 슬릿을 통과했음을 확인한다.
• 이 결과는 두 이론이 다른 예측을 내놓는 조건에서 dBB 이론과 SQM를 대비하는 첫 실험적 검증을 제공하며, 강력한 증거가 SQM를 지지한다.