[论文解读] A realistic device that simulates the non-local PR box without communication

Sven Aerts|ArXiv.org|Apr 22, 2005

Quantum Mechanics and Applications参考文献 3被引用 5

一句话总结

本文提出一个现实的、经典的模型，通过在管中拉伸的橡皮筋模拟非局域的PR盒子，无需通信。通过爱丽丝和鲍勃本地测量橡皮筋的颜色和长度，该模型再现了EPR-Bell思想实验中的类量子反相关性，表明非局域关联可由局部的、因果的过程产生，无需信号传递或隐性通信，从而强化了纠缠态可无需通信而被模拟的观点。

ABSTRACT

A black box with two input bits and two output bits is called a non-local PR box, if the XOR of the output bits equals the AND of the input bits. In a recent article, Cerf et al. show that Alice and Bob, using such a PR box, can effectively simulate entanglement without the need of communication. We show that an adaptation of a model due to Dirk Aerts, yields a realistic simulation of the non-local PR box without communication. Because the model is entirely realistic, it cannot violate relativistic constraints. Like a non-local box, it can be used to simulate the singlet state coincidence probabilities, but the time to complete the observation of the outcome will exceed the time it takes a photon to travel one arm in an EPRB setup. The model explicitly shows how to produce an outcome that is locally perfectly random, but nevertheless determines what happens in the other wing of the experiment, without communication taking place between the two wings. In this sense, it can serve as an accurate metaphor for the mechanism of entanglement. The model considerably strengthens the claim that no communication is necessary to simulate entanglement.

研究动机与目标

• 提供一种真实、局部的机制，以无通信方式模拟非局域PR盒子，反驳认为此类非局域性需依赖信号传递或量子资源的信念。
• 证明PR盒子的行为——特别是异或输出等于与输入约束——可通过不违反相对论约束的经典因果过程实现。
• 通过提供一个具体且物理上合理的模型，强化Cerf等人关于量子纠缠态可无需通信而被模拟的主张。
• 说明非局域关联如何可源于对共享物理系统的本地测量，强调结果的共同生成而非信息传递。

提出的方法

• 该模型使用长度为L的未拉伸橡皮筋置于管中，两端分别由爱丽丝和鲍勃固定，初始时随机分配颜色（黄色或红色）。
• 当输入为0时，爱丽丝测量其端点的颜色：黄色 → 输出1，红色 → 输出0。
• 当输入为1时，爱丽丝等待三秒钟，然后测量其端点的长度（相对于L/2）和颜色，计算NOT(XOR(l_Alice, c_Alice))作为其输出。
• 鲍勃在自己端执行相同操作，使用其对长度和颜色的独立测量结果。
• 橡皮筋仅在双方均拉伸（输入1）时才会断裂，断裂点决定结果分布。
• 仅当双方均选择输入1时，结果才呈现反相关性；否则，输出相等的概率相同，满足PR盒子约束条件XOR(输出) = AND(输入)。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在一种完全现实的、局部的经典模型，可在爱丽丝和鲍勃之间不进行任何形式通信的情况下，模拟非局域PR盒子？
• RQ2 一个具有局部测量和确定性结果的物理系统，是否可在不发送信号的情况下重现PR盒子的相关性统计？
• RQ3 非局域关联（如EPR-Bell实验中的关联）是否可通过共享物理系统中结果的共同生成而非时间倒流信号来解释？
• RQ4 是否可能构建一个模型，使其在保持局部因果性和相对论一致性的同时，最大地违反CHSH不等式？

主要发现

• 橡皮筋模型满足PR盒子约束：对于所有输入组合，输出的异或值等于输入的与值，且概率正确。
• 当爱丽丝和鲍勃均选择输入1时，结果为(0,1)或(1,0)，概率相等，确保了所需的反相关性。
• 对于输入(0,0)、(0,1)和(1,0)，输出为(0,0)或(1,1)，概率相等，满足PR盒子条件。
• 爱丽丝和鲍勃之间未发生任何通信；所有结果均由本地测量和橡皮筋的预先存在的属性决定。
• 完成测量所需时间超过光子在EPRB设置中穿越单根光路所需的时间，从而保持了相对论因果性。
• 该模型表明，非局域关联可从局部的、因果的过程产生，其中结果是共同生成而非传递的，支持了纠缠态无需信号传递的观点。