[论文解读] A Cosmic Bell Test with Measurement Settings from Astronomical Sources

Johannes Handsteiner, Andrew S. Friedman+18 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2016

Quantum Mechanics and Applications被引用 1

一句话总结

本研究利用遥远恒星的实时天文观测结果作为测量设置，对贝尔不等式实验进行宇宙贝尔测试，消除了局部实在论影响可能带来的漏洞。实验报告了贝尔不等式的显著违反，p值 ≤ 4.0 × 10⁻³³，将任何此类影响可能作用于结果的最晚时间推后约600年。

ABSTRACT

Bell's theorem states that some predictions of mechanics cannot be reproduced by a local-realist theory. That conflict is expressed by Bell's inequality, which is usually derived under the assumption that there are no statistical correlations between the choices of measurement settings and anything else that can causally affect the measurement outcomes. In previous experiments, this freedom of choice was addressed by ensuring that selection of measurement settings via conventional quantum random number generators was space-like separated from the entangled particle creation. This, however, left open the possibility that an unknown cause affected both the setting choices and measurement outcomes as recently as mere microseconds before each experimental trial. Here we report on a new experimental test of Bell's inequality that, for the first time, uses distant astronomical sources as cosmic setting generators. In our tests with polarization-entangled photons, measurement settings were chosen using real-time observations of Milky Way stars while simultaneously ensuring locality. Assuming fair sampling for all detected photons, and that each stellar photon's color was set at emission, we observe statistically significant $\gtrsim 7.31 \sigma$ and $\gtrsim 11.93 \sigma$ violations of Bell's inequality with estimated $p$-values of $ \lesssim 1.8 imes 10^{-13}$ and $\lesssim 4.0 imes 10^{-33}$, respectively, thereby pushing back by $\sim$600 years the most recent time by which any local-realist influences could have engineered the observed Bell violation.

研究动机与目标

• 通过使用遥远天体源作为随机设置生成器，关闭贝尔测试中的自由选择漏洞。
• 确保任何假想的局部实在论影响都无法在实验开始前影响测量设置和结果。
• 使用600多年前发射的恒星光子作为测量设置，测试贝尔不等式。
• 通过最小化对设置选择的因果影响可能性，加强量子非定域性的实验基础。
• 在严格的局域性和公平采样假设下，实现贝尔不等式的统计显著违反。

提出的方法

• 使用来自遥远银河系恒星的光的实时观测结果，确定纠缠光子对的测量设置。
• 通过确保设置选择与纠缠粒子产生之间保持类空分离，以强制实现局域性。
• 假设每个恒星光子的颜色在发射时即已确定，从而与实验结果相互独立。
• 采用偏振纠缠光子对，并测量其关联性以检验贝尔不等式。
• 应用统计分析，在公平采样假设下计算贝尔不等式违反的p值。
• 利用天文数据追溯光子的发射时间，确保任何隐含影响都必须在实验开始前至少600年即已发生。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过使用遥远天体源作为随机数生成器，有效关闭贝尔测试中的自由选择漏洞？
• RQ2 在未被探测到的情况下，局部实在论影响最早可追溯到多久以前影响测量设置和结果？
• RQ3 当测量设置由恒星光子生成时，贝尔不等式违反的统计显著性如何？
• RQ4 公平采样假设与恒星光子颜色在发射时即固定这一假设，在多大程度上影响测试的有效性？
• RQ5 宇宙源能否为基础量子实验提供可靠且独立的随机性来源？

主要发现

• 实验实现了贝尔不等式的违反，p值 ≤ 1.8 × 10⁻¹³，对应显著性水平超过7.31σ。
• 第二次更严格的测试得到p值 ≤ 4.0 × 10⁻³³，对应显著性水平超过11.93σ。
• 结果将任何局部实在论影响可能作用于结果的最晚时间推后至实验前约600年。
• 使用恒星光子作为设置生成器，确保任何此类影响都必须在光子发射时即已发生，远在实验开始之前。
• 研究结果在局域性、公平采样和光子发射时颜色固定的假设下，支持量子力学的非定域本质。
• 统计显著性与时间边界代表了在贝尔测试中关闭自由选择漏洞方面的重要进展。