[论文解读] Unified demonstration of nonlocality at detection and the Michelson-Morley result, by a single-photon experiment

Antoine Suárez|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2010

Quantum Mechanics and Applications参考文献 8被引用 3

一句话总结

本文提出了一项单光子实验，利用相同的干涉仪装置同时检验局域性在探测时的表现与迈克尔逊-莫雷实验结果。通过改变探测器间距相对于2.5 ns 信号传输阈值的位置，测试在类空分离条件下符合计数率是否发生变化：在局域实在论下预测符合计数将增加0.25，而量子非局域性则保持符合计数为零，无论距离多远。

ABSTRACT

An experiment demonstrating nonlocality at detection is proposed. A single-photon Michelson-Morley experiment could be performed under exactly the same conditions as well. Hence, the two experiments are "loophole free" to the same extent. It is argued that both quantum theory and relativity share the same experimental basis and derive from the same principles. Relativity and the quantum are two aspects of one and the same physical description of the world.

研究动机与目标

• 提出一个统一实验，利用单光子干涉仪同时检验探测时的非局域性与迈克尔逊-莫雷零结果。
• 通过使用类空分离的探测器与固定时间窗口，关闭非局域性检验中的局域性漏洞。
• 证明探测时的非局域性并非纠缠的副产品，而是单粒子干涉的基本特征。
• 论证相对论与量子力学基于相同的实验基础，并共享相同的观察者自由原则。
• 表明假设‘在分束器处做出决定’的局域隐变量模型在面对干涉与探测结果时在逻辑上不一致。

提出的方法

• 使用单光子迈克尔逊-莫雷干涉仪，并利用一个后选光子作为探测事件的信号。
• 通过移动镜子改变光程差，以控制相位参数 Φ = ωτ。
• 将探测器 D(+) 和 D(−) 置于类空分离距离 d > cΔt = 0.75 m，以防止以 v ≤ c 的速度传递信号。
• 比较在时序分离（d ≤ 0.75 m）与类空分离（d > 0.75 m）条件下，i,j ∈ {1,0} 的探测概率 P(i,j)。
• 应用局域实在论预测：P′(1,1) = 0.25(1 − cos²Φ) 与在时序条件下 P(1,1) = 0。
• 使用相位 Φ = π/2 预测：当探测器类空分离时，局域实在论下符合计数将增加0.25。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不依赖纠缠的情况下，通过单光子干涉实验检验探测时的非局域性？
• RQ2 即使探测器处于类空分离状态，单个光子的探测结果是否仍依赖于探测器之间的非局域协调？
• RQ3 迈克尔逊-莫雷实验的零结果是否与探测结果的非局域解释相容？
• RQ4 同一实验装置能否同时证伪非局域性中的局域实在论与相对论中的局域因果性？
• RQ5 观察者自由在支撑量子力学与相对论中起什么作用？它如何影响对干涉现象的解释？

主要发现

• 在局域实在论下，当探测器间距超过0.75 m的信号传输阈值（Δt = 2.5 ns）时，符合计数率从 P(1,1) = 0 增加至 P′(1,1) = 0.25。
• 量子理论预测 P(1,1) = 0，无论探测器间距如何，意味着在类空分离下符合计数率不变。
• 局域实在论预测的相位偏移 Δω = π/6 对应符合计数率增加0.25，若实验结果为正，则将证伪该理论。
• 该实验与原始迈克尔逊-莫雷实验一样‘无漏洞’，因为两者均依赖于相同的定时与探测约束条件。
• 探测时的非局域性是保持单个量子过程能量守恒的必要条件，因此局域模型与干涉及光电效应不相容。
• 相对论与量子力学均源于相同的实验基础——干涉与探测，表明二者是物理现实不可分割的方面。