[论文解读] Local Realistic Model of Bell Theorem Experiment and Alternative Model of Quantum Measurement

Paul J. Werbos|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2014

Quantum Mechanics and Applications参考文献 3被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于时空马尔可夫随机场的新经典实在模型（MRF3），该模型能够复现量子力学在贝尔实验中的预测，尤其通过更物理地建模偏振片。它引入了一种可被多光子实验检验的增强型量子测量算符，为标准量子形式主义提供了一种经典替代方案，对量子基础和量子信息技术具有潜在影响。

ABSTRACT

A previous paper demonstrated that two local, realistic models based on Markov Random Fields (MRF) across space time do replicate the correct, tested predictions of quantum mechanics for simple Bell Theorem experiments. This paper demonstrates a third such model, MRF3, which is more plausible physically, making contact with the physics of polarizers. It shows how to translate that type of model into an equivalent quantum mechanical model, which requires an augmentation to the usual measurement operator now used to represent polarizers in such experiments. The validity of that augmentation may be testable in experiments involving three or four photons, with relevance to quantum computing and communication.

研究动机与目标

• 开发一种在物理上更合理的贝尔定理实验局部实在模型，以更好地反映偏振片的物理特性。
• 证明此类模型能够复现贝尔型实验中观测到的量子力学预测。
• 提出一种涉及增强测量算符的替代量子测量形式主义，以扩展标准偏振片建模。
• 识别该模型在涉及三或四个光子的多光子量子实验中的可检验预测。
• 探讨该模型对量子计算和量子通信协议的潜在影响。

提出的方法

• 该模型MRF3利用定义在时空上的马尔可夫随机场来描述贝尔实验中的关联，纳入了时空上的因果依赖关系。
• 通过尊重相对论因果性和局域性的局部随机动力学来建模偏振片的行为。
• 通过引入偏离标准投影 postulate 的增强测量算符，将该模型转化为等价的量子力学框架。
• 该增强算符源自底层的MRF结构，并编码了与量子模型相同的统计预测。
• 将该形式化应用于纠缠光子系统，特别是三光子或四光子系统，以识别其实验可检验性。
• 本文推导了28个方程，以形式化MRF动力学及其与量子测量的对应关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于时空马尔可夫随机场的局部实在模型能否复现贝尔实验中观测到的量子关联？
• RQ2 在局部实在框架内，如何更准确地建模偏振片的物理行为？
• RQ3 为复现基于MRF的模型预测，对标准量子测量算符需作何种修改？
• RQ4 标准量子测量形式主义与本文提出的增强算符之间是否存在可实验检验的差异？
• RQ5 该模型能否为与量子信息相关的多光子纠缠现象提供经典解释？

主要发现

• MRF3模型成功复现了贝尔实验中的量子力学预测，包括贝尔不等式的破缺，同时保持严格的局域性和实在性。
• 该模型通过时空马尔可夫过程提供了对偏振片行为的物理直观描述，优于以往的MRF模型。
• 推导出一种增强型量子测量算符，其作用与标准量子力学相同，但具有不同的动力学结构。
• 该提出的测量算符在作用于多光子态时与标准算符不同，使其可在三或四个纠缠光子的实验中被检验。
• 该模型表明，标准量子测量形式主义并非复现实验结果的唯一必要选择，为经典替代方案开辟了道路。
• 该框架与相对论因果性一致，并为量子基础中的测量问题提供了新视角。