[论文解读] Bounding the speed of `spooky action at a distance'

Juan Yin, Yuan Cao+11 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2013

Quantum Information and Cryptography被引用 65

一句话总结

该实验通过使用16公里自由空间纠缠分发和快速电光调制器，关闭了长距离贝尔测试中的局域性与选择自由度漏洞，实现了12小时连续的CHSH-Bell不等式违背。结果表明，'遥远的量子纠缠'的速度下限达到光速的13,800倍，以极高的实验严谨性证实了其非局域特性。

ABSTRACT

In the well-known EPR paper, Einstein et al. called the nonlocal correlation in quantum entanglement as `spooky action at a distance'. If the spooky action does exist, what is its speed? All previous experiments along this direction have locality loopholes and thus can be explained without having to invoke any `spooky action' at all. Here, we strictly closed the locality loopholes by observing a 12-hour continuous violation of Bell inequality and concluded that the lower bound speed of `spooky action' was four orders of magnitude of the speed of light if the Earth's speed in any inertial reference frame was less than 10^(-3) times of the speed of light.

研究动机与目标

• 关闭实验测试非局域量子关联时的局域性与选择自由度漏洞。
• 利用长距离类空间贝尔不等式违背，测量'遥远量子纠缠'的最小速度。
• 通过利用地球自转覆盖所有惯性参考系，建立非局域量子影响速度的普遍下限。
• 在严格排除经典解释的实验条件下，验证量子纠缠的非局域本质。
• 为未来的卫星基量子通信与量子力学基础测试提供坚实基础。

提出的方法

• 在青海省两地地面站之间，通过15.3公里东西向自由空间链路分发偏振纠缠光子对。
• 使用快速电光调制器（EOMs）在光子发射后随机设置测量基，确保选择自由度，关闭设置选择漏洞。
• 通过确保测量事件间的时间差小于基线光传播时间（350皮秒抖动），实现测量事件的类空间分离。
• 对测量与设置事件的时空坐标应用洛伦兹变换，推导所有惯性参考系中非局域影响速度的下限。
• 使用公式（5）计算下限：$(V_{sa}/c)^2 \geq 1 + \frac{(1-\beta^2)(1-\rho^2)}{(\rho + |\beta \sin\theta \cdot \omega T/2|)^2}$，其中$\rho = 6.84 \times 10^{-6}$，$\beta = 10^{-3}$，$T$为测量周期。
• 确保设置选择事件位于两个测量事件及纠缠源的光锥之外，从而在所有惯性参考系中关闭局域性漏洞。

实验结果

研究问题

• RQ1 在关闭局域性与选择自由度漏洞的实验条件下，非局域量子影响（'遥远的量子纠缠'）的最小速度是多少？
• RQ2 能否利用地球自转覆盖所有惯性参考系，在长东西向基线上实现长达12小时的连续类空间贝尔测试？
• RQ3 非局域影响的速度下限如何依赖于地球相对于惯性系的速度以及测量基线的取向？
• RQ4 在长距离光子贝尔测试中，公平采样假设在多大程度上可被合理化？它是否影响速度下限的有效性？
• RQ5 该实验装置能否用于检验基础量子原理（如类空间GHZ定理），或实现卫星到地面的量子通信？

主要发现

• 实验在类空间分离的测量设置下，实现了12小时连续的CHSH-Bell不等式违背，证实了非局域量子关联的存在。
• 当地球相对于惯性系的速度为$10^{-3}c$时，'鬼魅作用'的速度下限被确定为至少$1.38 \times 10^4$倍光速。
• 即使地球中心相对于惯性系以$0.9c$运动，速度下限仍高于光速的7倍，表明其在不同速度范围内的鲁棒性。
• 通过时空图确认了类空间分离，显示设置选择事件位于测量事件与源的光锥之外，从而在所有参考系中同时关闭局域性与选择自由度漏洞。
• 利用地球自转实现了对所有可能惯性参考系的遍历采样，使速度下限具有普遍性，且不依赖于观测者的运动状态。
• 实验装置（包括快速时间标记与长距离激光跟踪）可直接应用于卫星到地面的量子通信及多方量子信息协议。