[论文解读] An Inquiry into the Possibility of Nonlocal Quantum Communication

John G. Cramer, Nick Herbert|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2014

Quantum Information and Cryptography参考文献 1被引用 6

一句话总结

本文研究了在纠缠光子系统中，通过可变纠缠是否可能实现非局域量子通信。通过偏振和路径纠缠的 gedanken 实验，证明即使通过测量选择可开关干涉条纹，'信号'与'反信号'干涉条纹在叠加时始终相互抵消，从而无法观测到任何非局域信号。关键结果是，单粒子与双粒子干涉之间的量子互补性在所有测试配置中阻止了非局域信号的产生。

ABSTRACT

The possibility of nonlocal quantum communication is considered. We investigate three $gedankenexperiments$ that have variable entanglement: (1) a 4-detector polarization-entangled system, (2) a 4-detector path-entangled system, and (3) a 3-detector path-entangled system that uses an innovative optical mixer to combine photon paths. A new quantum paradox is reviewed in which the presence or absence of an interference pattern in a path-entangled two photon system, controlled by measurement choice, is a potential nonlocal signal. We show that for the cases considered, even when interference patterns can be switched off and on, there is always a "signal" interference pattern and an "anti-signal" interference pattern that mask any observable interference when they are added, even when entanglement and coherence are simultaneously present. This behavior can be attributed to what in the literature has been called "the complementarity of one- and two-particle interference".

研究动机与目标

• 研究在量子系统中通过可变纠缠是否可能实现非局域信号传输。
• 分析三种 gedanken 实验：四探测器偏振纠缠系统、四探测器路径纠缠系统，以及带光学混合器的三探测器路径纠缠系统。
• 检验 71% 纠缠是否可能允许相干性和非局域信号传输的猜想。
• 研究干涉互补性在阻止非局域通信中的作用。
• 通过解析与数值方法确认，尽管存在可切换的干涉条纹，但不会出现任何非局域信号。

提出的方法

• 使用量子形式体系推导纠缠光子对的联合探测概率。
• 对波函数重叠和探测器表面的探测概率进行数值积分。
• 使用相位参数（α, φA, φB）模拟可变纠缠和干涉条件。
• 将解析预测的单次计数与数值积分结果进行比较，以检测差异。
• 应用单粒子与双粒子干涉之间的互补性原理，解释信号被掩盖的原因。
• 绘制解析结果与数值结果差异函数的等高线图，以评估潜在的非局域信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过调节四探测器偏振纠缠系统中的纠缠度，能否实现非局域信号传输？
• RQ2 四探测器路径纠缠系统是否可通过可切换干涉实现非局域信号传输？
• RQ3 带光学混合器的三探测器路径纠缠系统是否可通过测量选择实现非局域通信？
• RQ4 单粒子与双粒子干涉的互补性是否足以阻止所有非局域信号？
• RQ5 检测概率的数值与解析预测是否出现偏差，从而允许非局域信号传输？

主要发现

• 解析预测与数值积分探测概率之间的差异在百万分之几量级，表明两者近乎完美一致。
• 差异函数等高线图中标记为'A'、'B'和'C'的区域，最大偏差分别为 5.7×10⁻⁷、6.08×10⁻⁶ 和 5.51×10⁻⁶，确认信号偏差可忽略不计。
• 路径纠缠系统经楔形调制的配置中，数值分析确认不存在非局域信号。
• 即使纠缠与相干性共存，干涉条纹仍被互补的'信号'与'反信号'条纹掩盖，叠加后相互抵消。
• 阻止非局域信号的机制是单粒子与双粒子干涉之间的互补性，与先前理论预测一致。
• 标准量子形式体系在所有测试配置中均阻止非局域信号传输，从而保持因果性。