[论文解读] The quantum bit from relativity of simultaneity on an interferometer

Andrew J. P. Garner, Markus P. Müller+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2014

Quantum Mechanics and Applications被引用 3

一句话总结

本文研究了相对论时空结构——特别是同时性的相对性——是否能够限制干涉仪中的后量子干涉。通过要求探测器点击概率在干涉仪臂上局部操作顺序不同时保持不变，本研究表明，只有量子比特（qubit）结构（以贝尔球面表示）是被允许的，从而从一大类替代理论中唯一地选择了量子理论。

ABSTRACT

Motivated by recent experimental tests, we analyze whether relativistic spacetime could in principle allow for interference patterns more general than those predicted by quantum theory. We assume that relativity of simultaneity holds, in that the order of local transformations applied on individual arms of an interferometer cannot affect any detector click probabilities. We show that within a wide range of possible alternatives to quantum theory, this singles out the quantum Bloch sphere and thus the three degrees of freedom of a quantum bit. This has consequences for experimental tests for post-quantum interference that are currently performed in the lab, if one is to avoid their behaviour only ever replicating the quantum results.

研究动机与目标

• 确定相对论时空结构，特别是同时性的相对性，是否能够限制超越量子理论的干涉图案形式。
• 研究探测器点击概率在干涉仪臂上不同操作顺序下保持不变，是否能够从替代框架中唯一确定量子理论。
• 评估此约束对正在进行的后量子干涉实验测试的影响。

提出的方法

• 将同时性的相对性作为基础原则：干涉仪臂上局部操作的顺序不应影响探测器点击概率。
• 分析一大类可能预测更一般干涉图案的替代量子力学理论。
• 将操作顺序不变性约束应用于推导两能级系统可能态空间的结构。
• 利用局部操作顺序不变性要求，将态空间几何限制为量子贝尔球面。
• 证明只有量子比特结构在所有考虑的替代理论中满足相对论不变性条件。
• 采用操作概率理论框架，形式化对态空间和测量结果的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 同时性的相对性是否能唯一地从更广泛的可能理论类中选出量子比特结构？
• RQ2 操作顺序不变性对干涉实验中态空间几何施加了何种约束？
• RQ3 如果未强制实施同时性的相对性，是否存在可实验区分的后量子干涉图案？
• RQ4 探测器点击概率在局部操作顺序下不变是否唯一地恢复量子贝尔球面？
• RQ5 此结果对当前后量子干涉实验测试有何影响？

主要发现

• 当将同时性的相对性应用于干涉仪操作时，它唯一地选择了量子比特结构作为一大类替代理论中唯一一致的框架。
• 只有量子贝尔球面满足探测器点击概率在干涉仪臂上不同局部操作顺序下保持不变的要求。
• 所有其他可能的两能级系统态空间在相同条件下均无法保持此不变性。
• 该结果意味着，任何对后量子干涉的实验测试要么必须重现量子预测，要么必须违反同时性的相对性。
• 在给定的相对论约束下，量子比特的三个自由度成为唯一可行的配置。