[论文解读] Random 'choices' and the locality loophole

Stefano Pironio|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2015

Quantum Mechanics and Applications参考文献 19被引用 35

一句话总结

本文主张，量子随机数生成器（QRNG）在贝尔实验中并非必要；相反，密码学安全的伪随机数生成器——例如对社交媒体数据进行哈希处理——同样能有效关闭局域性漏洞，通过确保测量设置不可预测。其核心贡献在于表明，此类经典伪随机方法与量子或宇宙源一样有效，可用于排除局部隐变量理论。

ABSTRACT

It has been claimed that to close the locality loophole in a Bell experiment, random numbers of quantum origin should be used for selecting the measurement settings. This is how it has been implemented in all recent Bell experiment addressing this loophole. I point out in this note that quantum random number generators are unnecessary for such experiments and that a Bell experiment with a pseudo-random (but otherwise completely deterministic) mechanism for selecting the measurement settings, such as taking a hash function of the latest million tweets with the hashtag #quantum, would be as convincing, or even more, than one using quantum random number generators.

研究动机与目标

• 挑战当前普遍认为量子随机数生成器（QRNG）对于排除贝尔实验中局部隐变量模型是必不可少的观点。
• 证明密码学安全的伪随机数生成器（PRNG）在贝尔实验中可提供与QRNG相当甚至更优的随机性。
• 表明QRNG实验中对随机性的假设，与经典PRNG所依赖的物理假设相同，因此QRNG并不更具根本性。
• 认为使用遥远宇宙源（如类星体）生成随机设置，并不比更简单的经典方法更根本地稳健，因为两者对探测器行为的假设是共享的。
• 倡导采用结合不同随机源的更广泛实验设计，以排除更大类别的共谋性局部隐变量模型。

提出的方法

• 提出使用确定性的、密码学安全的伪随机数生成器（例如，对最近10^6条带#quantum标签的推文进行哈希）来选择贝尔实验中的测量设置。
• 将贝尔实验建模为一个挑战：两名相互隔离的参与者（爱丽丝和鲍勃）模拟局部隐变量模型，其输入选择需确保无法预测未来的设置。
• 确立挑战成功依赖于两个独立条件：无通信（局域性）与输入不可预测性（随机性）。
• 比较QRNG、宇宙随机源（如类星体光子）与经典PRNG所需的假设，表明三者均依赖于关于探测器行为的相似物理假设。
• 认为从局部隐变量模型的视角来看，QRNG中的随机性与经典PRNG中的随机性并无本质区别。
• 证明仅使用更简单、经典的PRNG即可达到与QRNG同等水平的置信度，从而在不牺牲有效性的情况下降低实验复杂度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在贝尔实验中，是否必须使用量子随机数生成器（QRNG）来关闭局域性漏洞？
• RQ2 密码学安全的伪随机数生成器（PRNG）是否能提供足够的不可预测性以排除局部隐变量模型？
• RQ3 与经典PRNG相比，宇宙随机源（如类星体）的假设在抵御共谋性隐变量方面是否更具鲁棒性？
• RQ4 使用QRNG是否在排除局部实在性方面相对于经典PRNG具有任何根本性优势？
• RQ5 结合不同随机源（经典、量子、宇宙）是否能排除更大类别的局部隐变量模型？

主要发现

• 使用密码学安全的伪随机数生成器（如对最近10^6条带#quantum标签的推文进行哈希）的贝尔实验，与使用量子随机数生成器的实验在排除局部隐变量模型方面同样有效。
• 贝尔实验中的随机性条件并不要求量子不可预测性；它仅要求参与方无法预测测量设置，而这一点可由强密码学经典PRNG实现。
• 类星体基随机选择不受共谋影响的假设，依赖于与经典PRNG相同的探测器和测量过程物理假设，因此宇宙方法并不更具根本安全性。
• 使用QRNG并非测试局部实在性的根本必要条件，因为通过经典方法同样可达到排除局部隐变量的同等置信度。
• 使用不同随机源（经典、量子、宇宙）的实验可共同排除比任何单一方法更大的局部隐变量模型类别。
• 即使考虑极端共谋模型，只要PRNG具有密码学安全性且测量设置在实践中不可预测，经典PRNG已足够的结论依然稳健。