[论文解读] Empty waves, many worlds, parallel lives, and nonlocal decision at detection

Antoine Suárez|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2012

Quantum Mechanics and Applications参考文献 8被引用 4

一句话总结

本文提出了一项无漏洞的、基于单光子在马赫-曾德尔干涉仪中干涉的非定域性验证实验，假设结果决策发生在探测时刻。结果表明，每个事件中的能量守恒要求非定域协调，这意味着非定域性是量子力学的根本特性——即使在单粒子系统中也是如此，从而排除了德布罗意的‘空波’等局域隐变量理论，并意味着若拒绝非定域性，则必须采纳‘多世界’诠释。

ABSTRACT

I discuss an experiment demonstrating nonlocality and conservation of energy under the assumption that the decision of the outcome happens at detection. The experiment does not require Bell's inequalities and is loophole-free. I further argue that the local hidden variables assumed in Bell's theorem involve de Broglie's "empty waves", and therefore "many worlds" achieves to reconcile locality with the violation of Bell's inequalities. Accordingly, the discussed experiment may be the first loophole-free demonstration of nonlocality.

研究动机与目标

• 通过不依赖贝尔不等式或漏洞的方式，在单光子干涉实验中证明非定域性。
• 论证结果决策发生在探测时刻的假设，意味着非定域性是量子力学中的基本原理。
• 表明在单个量子事件中能量守恒要求空间分隔的探测器之间存在非定域协调。
• 通过展示其与单个事件中能量守恒的不相容性，挑战局域隐变量理论（尤其是德布罗意的‘空波’）的可行性。
• 确立探测时刻的非定域性是贝尔型非定域性的根源，而非其派生结果。

提出的方法

• 设计一个 gedanken-experiment，其中单个光子入射到50-50分束器上，两个探测器位于空间分隔的等距区域。
• 假设结果（哪个探测器触发）在探测时刻决定，而非在分束器处决定，从而拒绝任何预先存在的隐变量或轨迹。
• 分析探测器被移近分束器的反事实情景，表明在‘结果在探测时刻决定’的假设下，无法对先前结果做出任何预测。
• 与德布罗意-玻姆模型对比，后者中‘空波’会沿另一条路径传播，使得即使在反事实设置中也能预测探测结果。
• 以能量守恒为标准：如果坍缩在每个探测器处独立且局域发生，则25%的事件会出现两个点击或无点击，违反每个事件中的能量守恒。
• 结论：只有在探测时刻的非定域协调才能在每个单个事件中保持能量守恒，从而证明非定域性是根本性的。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不依赖贝尔不等式或纠缠的情况下，在单光子干涉实验中证明非定域性？
• RQ2 若排除非定域性，假设结果决策发生在探测时刻，是否会导致能量守恒的违反？
• RQ3 德布罗意-玻姆的‘空波’是否是标准量子力学中波函数在探测时刻坍缩观点的可行替代？
• RQ4 一个无隐变量的局域理论能否解释空间分隔探测事件中的能量守恒与非定域关联？
• RQ5 非定域性在单粒子干涉中的基础性作用是什么？它与蔡雷尔森界及量子力学结构有何关联？

主要发现

• 该实验通过表明每个单个事件中的能量守恒要求空间分隔探测器之间存在非定域协调，实现了无漏洞的非定域性证明。
• 若结果决策发生在探测时刻，则即使在单粒子干涉中，非定域性也是为保持能量守恒所必需的。
• 局域坍缩的假设会导致单个事件中出现25%的概率出现两个点击或无点击，违反能量守恒，因此排除了局域坍缩模型。
• 德布罗意的‘空波’被证明等价于局域隐变量理论，而该理论被能量守恒论证所排除，这意味着若拒绝非定域性，则‘多世界’诠释是唯一一致的替代方案。
• 探测时刻的非定域性是非定域性的根源，即贝尔型非定域性源于探测时刻更深层次的非定域决策，而非独立现象。
• BB84 量子密钥分发协议依赖于本实验中所展示的相同非定域机制，因为该机制无法在经典理论中再现，除非存在此类非定域性。