[論文レビュー] Bell's Theorem : The Naive View of an Experimentalist

Alain Aspect|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2004

Philosophy and History of Science被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、アラン・アスペクトの直感的で実験志向の立場からベルの定理を提示し、アインシュタインの局所性原理に基づく局所的隠れ変数理論がベルの不等式を満たさなければならないことを示している。量子力学はこの不等式を破る。主な貢献は、量子力学が局所的実在論と根本的に対立することを、物理的に根拠のある明確な議論で示したことである。この主張は、量子光学分野における実験的検証によって裏付けられている。

ABSTRACT

In the first part of this presentation (sections 2 to 6), I show that Bell's Inequalities provide a quantitative criterion to test "reasonable" Supplementary Parameters Theories versus Quantum Mechanics. Following Bell, I first explain the motivations for considering supplementary parameters theories: the argument is based on an analysis of the famous Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) Gedankenexperiment . Introducing a reasonable Locality Condition, we will then derive Bell's theorem, which states: (i) that Local Supplementary Parameters Theories are constrained by Bell's Inequalities; (ii) that certain predictions of Quantum Mechanics violate Bell's Inequalities, and therefore that Quantum Mechanics is incompatible with Local Supplementary Parameters Theories. I then point out that a fundamental assumption for this conflict is the Locality assumption, and I show that in a more sophisticated version of the E.P.R. thought experiment ("timing experiment"), the Locality Condition may be considered a consequence of Einstein's Causality, preventing faster-than-light interactions. The purpose of this first part is to convince the reader that the formalism leading to Bell's Inequalities is very general and reasonable. What is surprising is that such a reasonable formalism conflicts with Quantum Mechanics. In fact, situations exhibiting a conflict are very rare, and Quantum Optics is the domain where the most significant tests of this conflict have been carried out, as presented in sections 7 to 11.

研究の動機と目的

• 実験物理学者の視点から、ベルの定理の概念的基盤を明確化すること。
• 局所性と実在論に基づいて、EPRパラドックスへの対応として補助パラメータ理論を提唱すること。
• ベルの不等式が局所的隠れ変数理論と量子力学を区別する検証可能な基準を提供することを示すこと。
• 局所性仮定が物理的に妥当であり、アインシュタインの因果律と同等であり、量子力学との対立を導くために不可欠であることの主張。
• 高精度な測定能力を備えた量子光学が、この対立を実験的に検証する主たる分野であることを強調すること。

提案手法

• 局所性と実在論を仮定して、局所的補助パラメータモデルからベルの不等式を導出する。
• EPR Gedankenexperimentを基盤として、局所理論における補助パラメータの必要性を導入する。
• 局所性条件をEPRの『時刻実験』の変種に適用し、相対論的因果律と整合的であることを示す。
• 局所的隠れ変数理論の予測（ベルの不等式で制限される）と、量子力学の予測（それらを破る）を比較する。
• 特にエンタングルド光子対を用いた実験を含む、量子光学実験を主たる実証的検証の場とみなす。
• 特に遅延選択および一致計数測定において、実験的設計が量子力学の非局所的特徴を検証する役割を果たすことを強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子力学の予測が正しいとすれば、局所的補助パラメータ理論は実験的に排除可能か？
• RQ2 ベルの定理における局所性仮定は物理的に正当化可能か？また、アインシュタインの因果律とどのように関係するか？
• RQ3 なぜ量子光学がベルの不等式の予測を検証するのに特に適しているのか？
• RQ4 エンタングルド光子対からの実験結果は、なぜベルの不等式の破れを支持するのか？
• RQ5 実験によって明らかにされた、局所的実在論と量子力学の間の対立の物理的意味は何か？

主な発見

• ベルの不等式は、局所的隠れ変数理論と量子力学を区別する定量的で実験的に検証可能な基準を提供する。
• 量子力学はベルの不等式の破れを予測するが、これはいかなる局所的補助パラメータ理論でも再現できない。
• ベルの定理を導くために不可欠な局所性仮定は、物理的に妥当であり、アインシュタインの因果律と同等であり、光速を超える信号伝送を禁止する。
• 量子力学と局所的実在論の間の対立は物理学において稀であり、これは深遠で検証可能な異常と見なされる。
• 特にエンタングルド光子対を用いた量子光学実験が、ベルの定理の最も重要な実証的検証を提供している。
• ベルの不等式の実験的破れは、量子力学がいかなる局所的隠れ変数理論でも説明できないことを確認し、非局所性を自然の根本的特徴とする支持をもたらしている。