[论文解读] Astronomical random numbers for quantum foundations experiments

Calvin Leung, Amy Brown+4 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Jun 7, 2017

History and Developments in Astronomy被引用 8

一句话总结

本文提出一种基于望远镜的天文随机数生成器，利用来自恒星和类星体的单光子探测生成随机比特，延迟约20 ns。其在恒星上实现的比特率最高可达~10⁶ Hz/m²，在类星体上为~10²–2×10³ Hz/m²，展现出较低的统计可预测性，并具备充分的天体起源，可关闭贝尔测试中的自由选择漏洞。

ABSTRACT

Photons from distant astronomical sources can be used as a classical source of randomness to improve fundamental tests of quantum nonlocality, wave-particle duality, and local realism through Bell's inequality and delayed-choice quantum eraser tests inspired by Wheeler's cosmic-scale Mach-Zehnder interferometer gedankenexperiment. Such sources of random numbers may also be useful for information-theoretic applications such as key distribution for quantum cryptography. Building on the design of an "astronomical random-number generator" developed for the recent "cosmic Bell" experiment [Handsteiner et al., Phys. Rev. Lett. 118, 060401 (2017)], in this paper we report on the design and characterization of a device that, with 20-nanosecond latency, outputs a bit based on whether the wavelength of an incoming photon is greater than or less than 700 nm. Using the one-meter telescope at the Jet Propulsion Laboratory (JPL) Table Mountain Observatory, we generated random bits from astronomical photons in both color channels from 50 stars of varying color and magnitude, and from 12 quasars with redshifts up to $z = 3.9$. With stars, we achieved bit rates of $\sim 1 imes 10^6$ Hz / m$^2$, limited by saturation for our single-photon detectors, and with quasars of magnitudes between 12.9 and 16, we achieved rates between $\sim 10^2$ and $2 imes 10^3$ Hz /m$^2$. For bright quasars, the resulting bitstreams exhibit sufficiently low amounts of statistical predictability as quantified by the mutual information. In addition, a sufficiently high fraction of bits generated are of true astronomical origin in order to address both the locality and freedom-of-choice loopholes when used to set the measurement settings in a test of the Bell-CHSH inequality.

研究动机与目标

• 开发一种用于基础量子力学实验的实时天文随机数源。
• 通过使用遥远的宇宙源设定测量设置，关闭贝尔不等式测试中的自由选择漏洞。
• 证明利用恒星和类星体的单光子探测作为高质量随机性来源的可行性。
• 量化统计可预测性，并确保比特具备足够的天体起源，以满足量子基础实验的需求。
• 实现受惠于惠勒 gedankenexperiment 的宇宙尺度延迟选择量子消相干实验。

提出的方法

• 该装置使用位于喷气推进实验室（JPL）托马斯山天文台的一台1米望远镜，收集天体源的光子。
• 测量光子波长相对于~700 nm 的值，根据波长是否低于或高于该阈值输出一个比特（0 或 1）。
• 红、蓝两个通道中的单光子探测器以~20 ns 的时间分辨率记录时间戳光子探测事件。
• 通过校准对准和信号处理，校正探测器死时间并补偿大气视宁度影响。
• 利用比特流与先前序列之间的互信息量化统计可预测性。
• 仪器经过校准，以最小化测量设置与潜在隐变量之间的相关性，确保随机性的天体起源。

实验结果

研究问题

• RQ1 来自遥远恒星和类星体的光子能否作为量子基础实验中可行的随机比特来源？
• RQ2 大气效应和探测器缺陷在多大程度上会引入生成比特流的统计可预测性？
• RQ3 源自天体的随机性是否足以关闭贝尔测试中的自由选择漏洞？
• RQ4 在真实观测条件下，恒星和类星体可实现的比特率是多少？
• RQ5 在可预测性和天体起源方面，比特流质量与无漏洞量子实验的要求相比如何？

主要发现

• 仪器在恒星上实现了约1×10⁶ Hz/m²的比特率，受限于单光子探测器饱和。
• 对于视星等在12.9至16之间的类星体，比特率范围为~10²至2×10³ Hz/m²，具体取决于亮度和红移。
• 通过互信息量化了统计可预测性，结果显示可预测性较低——尤其对明亮类星体而言——表明比特流适用于量子基础实验。
• 真正源于天体的比特比例足够高，足以解决贝尔-CHSH不等式测试中的自由选择漏洞。
• 条件概率分析显示，在高计数率下，由于大气视宁度和探测器对准偏差，可预测性增加了约3/10⁴，但通过校准和对准得以缓解。
• 系统在多个夜间表现出稳定性能，光学对准一致且漂移极低，支持长时间量子实验。