[论文解读] Test to separate quantum theory from non-signaling theories

Rui Chao, Ben W. Reichardt|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2017

Quantum Mechanics and Applications参考文献 39被引用 7

一句话总结

本文提出了一种多方博弈测试，通过利用非信号关联的不可 teleportation 性质，区分量子力学与经典非信号理论。通过使用 GHZ 态的三方 CHSH 类博弈，量子装置的获胜概率比仅使用两方非信号关联的经典装置高出 5.1%，表明量子纠缠在本质上比此类经典资源更强大，且这种差异可通过实验检验。

ABSTRACT

A Bell test separates quantum mechanics from a classical, local realist theory of physics. However, a Bell test cannot separate quantum physics from all classical theories. Classical devices supplemented with non-signaling correlations, e.g., the Popescu-Rohrlich "nonlocal box," can pass a Bell test with probability at least as high as any quantum devices can. After all, quantum entanglement does not allow for signaling faster than the speed of light, so in a sense is a weaker special case of non-signaling correlations. It could be that underneath quantum mechanics is a deeper non-signaling theory. We present a test to separate quantum theory from powerful non-signaling theories. The test extends the CHSH game to involve three space-like separated devices. Quantum devices sharing a three-qubit GHZ state can pass the test with probability 5.1% higher than classical devices sharing arbitrary non-signaling correlations between pairs. More generally, we give a test that k space-like separated quantum devices can pass with higher probability than classical devices sharing arbitrary (k-1)-local non-signaling correlations.

研究动机与目标

• 解决一个开放问题：量子力学是否在本质上比经典非信号理论更强大。
• 弥合贝尔测试中的一个缺口，后者无法排除超过量子极限的非信号关联。
• 设计一种稳健且可实验检验的博弈，将量子纠缠与两体局部非信号资源区分开来。
• 证明量子关联无法通过任意组合的两体非信号关联来模拟，即使这些关联本身是非信号的。

提出的方法

• 将 CHSH 博弈扩展至三方空间分离的参与者，使用三量子比特 GHZ 态。
• 设计一种博弈，其中查理在 X 基或 Z 基中进行测量，从而创造一种情形：爱丽丝和鲍勃必须在不知道具体测量基的情况下作出回应。
• 通过贝尔测量实现纠缠交换，生成爱丽丝与鲍勃之间的非局域关联，而这种关联无法被两体非信号资源复制。
• 证明仅共享任意两体局部非信号关联的经典玩家无法达到与量子玩家相同的获胜概率。
• 使用一致性检验和概率界分析，证明获胜概率存在严格分离。
• 将结果推广至 k+2 个参与者，表明 k 局域非信号关联无法模拟 (k+1) 局域量子关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以实验区分量子纠缠与强于量子力学的非信号关联？
• RQ2 是否存在一种博弈，使得仅使用两体非信号关联的经典玩家无法超越量子玩家？
• RQ3 是否可以利用非信号资源的不可 teleportation 性质，设计一种能将量子理论与非信号理论区分开来的测试？
• RQ4 在恒定误差下，量子与非信号策略之间的获胜概率差距是否依然稳健？
• RQ5 该分离是否可推广至超过三方的情形，表明 k 局域非信号关联无法模拟 (k+1) 局域量子关联？

主要发现

• 共享三量子比特 GHZ 态的量子装置在三方博弈中获胜概率比仅使用任意两体非信号关联的经典装置高出 5.1%。
• 获胜概率差距对恒定误差具有鲁棒性，使该测试具有实验可行性。
• 非信号资源无法被 teleportation，而量子纠缠可以实现纠缠交换，从而产生无法被两体局部非信号盒子模拟的关联。
• 对于 k+2 个参与者，使用仅 (k-1) 局域非信号关联的经典玩家无法在广义博弈中达到量子玩家的获胜概率。
• 分析表明，经典策略的获胜概率在 CHSH+k 博弈中被限制在 1/(2(3^k + 1)) 以内，而量子策略则表现出显著更优的表现。
• 结果表明，尽管两者均为非信号，量子关联在本质上仍比两体局部非信号关联更强大。