[论文解读] Quantum correlations in Newtonian space and time: arbitrarily fast communication or nonlocality

Nicolas Gisin|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2012

Quantum Mechanics and Applications参考文献 34被引用 9

一句话总结

本文研究了量子关联是否能通过尊重连续性原理的因果模型来解释——即影响在牛顿式特权参考系中以有限速度（可能超光速）传播。研究证明，任何此类结合局部共同原因与直接原因的模型，必然导致超光速信号传递，意味着要么自然界是非定域的，要么超光速通信是可能的，从而挑战了关于量子力学中因果性与定域性的经典直觉。

ABSTRACT

We investigate possible explanations of quantum correlations that satisfy the principle of continuity, which states that everything propagates gradually and continuously through space and time. In particular, following [J.D. Bancal et al, Nature Physics 2012], we show that any combination of local common causes and direct causes satisfying this principle, i.e. propagating at any finite speed, leads to signalling. This is true even if the common and direct causes are allowed to propagate at a supraluminal-but-finite speed defined in a Newtonian-like privileged universal reference frame. Consequently, either there is supraluminal communication or the conclusion that Nature is nonlocal (i.e. discontinuous) is unavoidable.

研究动机与目标

• 评估量子关联是否能通过满足连续性原理的因果模型来解释，即所有影响以有限速度在时空中渐进传播。
• 检验在特权参考系中，即使影响以有限但超光速的速度传播，局部共同原因与直接原因的组合是否能解释量子关联而不产生信号传递。
• 确定此类模型是否能避免信号传递，或是否必然导致经典层面的超光速通信。
• 通过考虑具有普适参考系的牛顿框架，澄清在不假设相对论的情况下，贝尔不等式违背的基础性含义。
• 通过证明即使有限速度因果模型也必然导致信号传递，从而挑战非定域性是超光速信号传递唯一替代方案的假设。

提出的方法

• 将因果模型形式化为‘v-因果模型’，其中所有影响在普适特权参考系中以有限速度 v 传播。
• 定义一个通用框架，将局部共同原因（CC）与直接原因（DC）整合于单一因果结构中，且所有影响均受速度 v < ∞ 的约束。
• 为这些 v-因果模型推导出一个贝尔型不等式，表明任何满足连续性原理的模型必须满足 S ≤ 7。
• 利用该不等式证明，若量子关联违反此界，则无论 v 为何值，该模型必然允许信号传递。
• 将结果应用于空间分隔测量的情形，表明即使在具有特权参考系的牛顿框架中，若用有限速度影响解释关联，则无法避免信号传递。
• 分析特权参考系中信号传递的含义，并证明其不会导致时间悖论，从而排除逻辑不一致，但无法排除物理上的问题。

实验结果

研究问题

• RQ1 量子关联能否通过局部共同原因与直接原因的组合来解释，这些原因在牛顿特权参考系中以有限速度（包括超光速）传播？
• RQ2 连续性原理——即所有影响在时空中渐进传播——是否允许在不产生信号传递的前提下，对量子关联作出定域性解释？
• RQ3 若此类有限速度因果模型能解释量子关联，是否必然导致经典测量设置与结果层面的超光速信号传递？
• RQ4 是否可能在非相对论性、具有特权参考系的框架中，为因果影响保持有限速度 v 同时避免信号传递？
• RQ5 若排除有限速度因果解释对量子关联的适用性，其基础性后果是什么，特别是关于非定域性与物理实在本质的问题？

主要发现

• 任何结合局部共同原因与直接原因的 v-因果模型，若影响以任意有限速度 v（包括超光速）传播，则只要能重现量子关联，必然导致信号传递。
• 本文证明，此类模型必须违反无信号原理，除非其本质上是非定域的，这意味着连续性原理无法在定域因果解释中得以保持。
• 推导出 S ≤ 7 作为所有 v-因果模型的上界；若量子关联违反此不等式（例如 S ≈ 7.3），则表明此类模型无法与无信号原则相容。
• 即使在具有普适特权参考系的牛顿框架中，能重现量子关联的有限速度因果模型，也必然在经典层面导致超光速通信。
• 此类模型可能导致信号传递，从而排除了隐性影响可保持‘本质上隐藏’的可能性——它们必须可用于通信。
• 若坚持保留连续性原理并拒绝超光速信号传递，即使在牛顿框架下，也必然得出自然界是非定域的（即非连续的）结论。