[논문 리뷰] Astronomical random numbers for quantum foundations experiments

Calvin Leung, Amy Brown외 4명|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|2017. 06. 07.

History and Developments in Astronomy인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 별과 활성은하핵에서의 단광자 탐지 기반 천체 기반 우연수 생성기를 제시한다. 이는 약 20 ns의 지연 시간으로 랜덤 비트를 생성하며, 별에서는 최대 약 10⁶ Hz/m², 활성은하핵에서는 약 10²–2×10³ Hz/m²의 비트율을 달성한다. 이는 통계적 예측 가능성이 낮고, 자유 선택 괴리 문제를 해결할 수 있을 정도로 충분한 천체 기원을 지닌다.

ABSTRACT

Photons from distant astronomical sources can be used as a classical source of randomness to improve fundamental tests of quantum nonlocality, wave-particle duality, and local realism through Bell's inequality and delayed-choice quantum eraser tests inspired by Wheeler's cosmic-scale Mach-Zehnder interferometer gedankenexperiment. Such sources of random numbers may also be useful for information-theoretic applications such as key distribution for quantum cryptography. Building on the design of an "astronomical random-number generator" developed for the recent "cosmic Bell" experiment [Handsteiner et al., Phys. Rev. Lett. 118, 060401 (2017)], in this paper we report on the design and characterization of a device that, with 20-nanosecond latency, outputs a bit based on whether the wavelength of an incoming photon is greater than or less than 700 nm. Using the one-meter telescope at the Jet Propulsion Laboratory (JPL) Table Mountain Observatory, we generated random bits from astronomical photons in both color channels from 50 stars of varying color and magnitude, and from 12 quasars with redshifts up to $z = 3.9$. With stars, we achieved bit rates of $\sim 1 imes 10^6$ Hz / m$^2$, limited by saturation for our single-photon detectors, and with quasars of magnitudes between 12.9 and 16, we achieved rates between $\sim 10^2$ and $2 imes 10^3$ Hz /m$^2$. For bright quasars, the resulting bitstreams exhibit sufficiently low amounts of statistical predictability as quantified by the mutual information. In addition, a sufficiently high fraction of bits generated are of true astronomical origin in order to address both the locality and freedom-of-choice loopholes when used to set the measurement settings in a test of the Bell-CHSH inequality.

연구 동기 및 목표

• 기초 양자역학 실험을 위한 실시간 천체 기반 우연수 원천을 개발한다.
• 멀리 떨어진 천체 원천을 사용하여 측정 설정을 결정함으로써 벨 부등식 테스트에서 자유 선택 괴리 문제를 해결한다.
• 별과 활성은하핵으로부터의 단광자 탐지를 높은 품질의 난수 원천으로 사용할 수 있음을 입증한다.
• 통계적 예측 가능성을 정량화하고, 양자 기초 실험에 적합한 충분한 천체 기원을 확보한다.
• 휴일의 웨일러 사고실험을 영감으로 삼아 천체 스케일의 지연 선택 양자 지우개 실험을 가능하게 한다.

제안 방법

• NASA 제트 propulsion laboratory(JPL)의 타블릿 마운틴 관측소에 설치된 1미터 망원경을 사용하여 천체 원천으로부터의 광자를 수확한다.
• 광자의 파장은 약 700 nm 기준으로 측정되며, 이 값 이하이면 비트 0, 초과이면 비트 1로 출력된다.
• 빨간색 및 파란색 채널에 장착된 단광자 탐지기가 약 20 ns의 시간 해상도로 시간 표시된 광자 탐지를 기록한다.
• 탐지기 사망 시간 보정과 대기 투명도 영향을 고려하기 위해 캘리브레이션 및 신호 처리를 통해 보정한다.
• 비트스트림과 이전 시퀀스 간의 상호정보량을 사용하여 통계적 예측 가능성을 정량화한다.
• 측정 설정과 잠재적 은밀한 변수 간의 상관관계를 최소화하기 위해 기구를 캘리브레이션함으로써 난수의 천체 기원을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 멀리 떨어진 별과 활성은하핵으로부터 온 광자는 양자 기초 실험에 적합한 난수 비트 원천이 될 수 있는가?
• RQ2 대기 영향과 탐지기 결함이 생성된 비트스트림의 통계적 예측 가능성에 어느 정도 기여하는가?
• RQ3 천체 기원 난수는 벨 테스트에서 자유 선택 괴리 문제를 해결할 수 있는가?
• RQ4 실제 관측 조건 하에서 별과 활성은하핵으로부터 도달 가능한 비트율은 얼마인가?
• RQ5 예측 가능성과 천체 기원 측면에서 비트스트림 품질이 괴리 없는 양자 실험 요구 조건을 충족하는가?

주요 결과

• 별에서의 비트율은 약 1×10⁶ Hz/m²에 도달하였으며, 이는 단광자 탐지기 포화로 인해 제한된다.
• 등급 12.9에서 16 사이의 활성은하핵에서는 빛의 밝기와 적색 이동에 따라 비트율이 약 10²에서 2×10³ Hz/m² 사이에서 변동한다.
• 통계적 예측 가능성은 상호정보량을 통해 정량화되었으며, 특히 밝은 활성은하핵의 경우 낮은 예측 가능성을 보여, 비트스트림이 양자 기초 실험에 적합함을 입증한다.
• 진정한 천체 기원의 비트 비율이 충분히 높아 벨-치쉬 부등식 테스트에서 자유 선택 괴리 문제를 해결할 수 있었다.
• 조건부 확률 분석을 통해 고계수율에서 대기 투명도와 탐지기 정렬 오차로 인해 예측 가능성은 약 10⁴당 3부위 증가하는 것으로 나타났지만, 정렬 및 캘리브레이션으로 이로 인한 영향을 완화하였다.
• 다수의 밤 동안 안정적인 성능을 유지하였으며, 일관된 광학적 정렬과 낮은 드리프트를 보여 장기적 양자 실험에 적합함을 입증하였다.