벨 테스트

Bell test
"벨 실험"은 여기로 방향을 바꿉니다.KEK 입자 물리학 실험은 Belle 실험을 참조하십시오.
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벨 부등식 시험 또는 벨 실험으로도 알려진 벨 실험은 알베르트 아인슈타인의 국소적 사실성 개념과 관련하여 양자역학 이론을 시험하기 위해 고안된 실제 물리학 실험입니다.존 스튜어트 벨(John Stewart Bell)의 이름을 딴 이 실험은 실제 세계가 지역 현실성을 만족시키는지 여부를 테스트하는데, 이 실험은 광자와 전자와 같은 입자의 행동을 설명하기 위해 몇 가지 추가적인 지역 변수(양자 이론의 특징이 아니기 때문에 "숨겨진"이라고 함)의 존재를 요구합니다.현재까지 모든 Bell 검정 결과 국소 은닉 변수의 가설이 물리적 시스템의 [1]동작 방식과 일치하지 않는 것으로 나타났습니다.

벨의 정리에 따르면, 자연이 실제로 국소 은닉 변수 이론에 따라 작동한다면, 벨 검정의 결과는 특정하고 정량화할 수 있는 방법으로 제한될 것입니다.Bell 실험이 수행되고 결과가 제약되지 않으면 가설이 설정된 국소 은닉 변수가 존재할 수 없습니다.이러한 결과는 양자역학의 현상을 고전물리학의 법칙에 더 부합하는 자연에 대한 보다 근본적인 설명의 관점에서 설명할 방법이 없다는 입장을 뒷받침할 것입니다.

많은 유형의 벨 테스트는 물리학 실험실에서 수행되었으며, 실험 설계 또는 설정의 문제점을 개선하기 위해 종종 초기 벨 테스트의 결과의 타당성에 원칙적으로 영향을 미칠 수 있습니다.이것은 "벨 [1]테스트의 허점을 막는 것"으로 알려져 있습니다.

벨 부등식 위반은 일부 양자 암호 프로토콜에서도 사용되는데, 이는 벨 부등식이 더 이상 위반되지 않을 때 스파이의 존재가 감지됩니다.

개요

본문: 벨의 정리

벨 테스트는 아인슈타인과 양자 물리학의 다른 선구자들, 주로 닐스 보어 사이의 논쟁에 기원을 두고 있습니다.논쟁 중인 양자역학 이론의 한 가지 특징은 하이젠베르크의 불확정성 원리의 의미였습니다.이 원리는 주어진 입자에 대해 어떤 정보가 알려지면, 그것에 대해 알 수 없는 다른 정보가 있다는 것을 말합니다.이것의 예는 주어진 입자의 위치와 운동량을 관찰한 것에서 찾을 수 있습니다.불확정성 원리에 의하면, 입자의 운동량과 입자의 위치를 임의의 높은 [2]정밀도로 동시에 결정할 수는 없습니다.

1935년 아인슈타인, 보리스 포돌스키, 네이선 로젠은 양자역학이 한 쌍의 얽힌 입자에 대한 정보가 하이젠베르크의 원리가 허용한 것보다 더 많이 관찰될 수 있다고 예측한다는 주장을 발표했습니다. 두 입자 사이에 정보가 즉각적으로 이동할 때에만 가능할 것입니다.이것은 세 저자의 이름을 따서 EPR 역설로 알려지게 된 역설을 낳습니다.한 위치에서 느끼는 효과가 위치에 비해 과거에 발생한 원인의 결과가 아닌 경우 발생합니다.이러한 거리에서의 작용은 두 위치 사이의 정보가 [citation needed]빛의 속도보다 더 빠르게 이동할 수 있게 함으로써 상대성 이론에 위배될 것입니다.

이를 바탕으로 저자들은 양자파동 함수가 현실을 완벽하게 묘사하지 못한다고 결론 내렸습니다.그들은 얽힌 입자들의 행동을 설명하기 위해서는 반드시 국소적인 숨겨진 변수들이 있어야 한다고 제안했습니다.숨겨진 변수 이론에서 아인슈타인이 예상했듯이 양자 입자의 행동에서 보이는 무작위성과 불확정성은 명백할 뿐입니다.예를 들어, 어떤 입자와 관련된 모든 숨겨진 변수의 세부 정보를 알고 있다면 입자의 위치와 운동량을 모두 예측할 수 있습니다.하이젠베르크의 원리에 의해 정량화된 불확실성은 단순히 숨겨진 변수들에 대한 완전한 정보를 가지고 있지 않다는 것의 유물일 것입니다.게다가, 아인슈타인은 숨겨진 변수들은 국소성의 조건에 따라야 한다고 주장했습니다.숨겨진 변수가 실제로 무엇이든 간에, 한 입자에 대한 숨겨진 변수의 행동이 멀리 있는 다른 입자에 대한 변수의 행동에 즉시 영향을 미칠 수 없어야 합니다.국소성의 원리라고 불리는 이 아이디어는 물리적 상호작용이 공간을 가로질러 즉각적으로 전파되지 않는다는 고전물리학의 직관에 뿌리를 두고 있습니다.이러한 생각들은 그들의 지지자들 사이에 계속되는 논쟁의 주제였습니다.특히 아인슈타인 자신은 유명한 EPR [3][4]논문에서 포돌스키가 문제를 언급한 방식을 인정하지 않았습니다.

1964년 존 스튜어트 벨은 그의 현재 유명한 정리를 제안했는데, 이것은 숨겨진 지역 변수에 대한 어떤 물리적 이론도 양자역학의 모든 예측을 결코 재현할 수 없다는 것입니다.그 정리에서 암시적인 것은 고전 물리학의 결정론이 근본적으로 양자 역학을 설명할 수 없다는 명제입니다.Bell은 Bell [citation needed]테스트 실험의 개념적 기초가 되는 것을 제공하기 위해 그 정리를 확장했습니다.

일반적인 실험은 얽힌 쌍을 만들고 스핀과 같은 각각의 특성을 측정할 수 있도록 설계된 장치에서 입자, 종종 광자를 관찰하는 것을 포함합니다.그런 다음 실험 결과를 지역 현실주의에 의해 예측된 것과 양자 [citation needed]역학에 의해 예측된 것과 비교할 수 있습니다.

이론적으로 결과는 "우연히" 두 가지와 일치할 수 있습니다.이 문제를 해결하기 위해 벨은 그 사건의 가능성에 통계적 한계를 두는 지역 현실주의에 대한 수학적 설명을 제안했습니다.실험 결과가 벨의 부등식에 위배될 경우 국소 은닉 변수가 원인으로 배제될 수 있습니다.후에 연구자들은 벨의 연구를 바탕으로 같은 목적에 부합하고 기본적인 생각을 어떤 [5][6]식으로든 다듬는 새로운 불평등을 제안했습니다.결과적으로, "벨 부등식"이라는 용어는 지역 은닉 변수 이론에 의해 충족되는 많은 부등식 중 하나를 의미할 수 있습니다. 실제로, 많은 현대 실험은 CHS 부등식을 사용합니다.벨이 고안한 원본처럼 이러한 모든 부등식들은 상호작용에 참여한 후 [citation needed]분리된 입자 집합에 대한 실험의 통계적 결과에 국소적 사실성을 가정하는 것이 제약을 준다는 생각을 표현합니다.

지금까지 모든 벨 테스트는 양자 물리학 이론을 지지해 왔지만 국소 숨은 변수의 가설은 지지하지 않았습니다.벨 부등식의 위반을 실험적으로 검증하려는 이러한 노력은 존 클라우저, 알랭 아스페, 그리고 안톤 자일링거가 2022년 노벨 [7]물리학상을 수상하는 결과를 낳았습니다.

광학벨 시험실험 실시

실제로 대부분의 실제 실험은 벨이 원래 염두에 둔 원자가 아니라 입자와 같은 광자의 형태로 방출되는 것으로 가정되는 빛을 사용했습니다.가장 잘 알려진 실험에서 관심 있는 속성은 편광 방향이지만 다른 속성을 사용할 수도 있습니다.이러한 실험은 사용된 분석기의 출력 채널이 하나인지 두 개인지에 따라 두 가지 클래스로 나뉩니다.

일반적인 CHSH(2채널) 실험

주요 기사 : CHSH 부등식
"2채널" 벨 테스트 방식
소스 S는 반대 방향으로 보내진 "광자" 쌍을 생성합니다.각 광자는 실험자가 방향을 설정할 수 있는 2채널 편광기와 마주칩니다.각 채널에서 발생하는 신호가 감지되고 일치 모니터 CM에 의해 일치가 카운트됩니다.

이 다이어그램은 Alain Aspect가 [8]1982년에 선례를 남긴 2채널 종류의 전형적인 광학 실험을 보여줍니다.일치(동시 탐지)가 기록되고 결과는 '++', '+-', '-+' 또는 '--'로 분류되며 해당 카운트가 누적됩니다.

시험통계량 S(아래 식 (2))의 4개 항 E(a, b)에 해당하는 4개의 별도의 하위 실험을 수행합니다.설정 a, a', b, b'는 일반적으로 0, 45°, 22.5° 및 67.5°로 선택됩니다. ("벨 테스트 각도") 이들은 양자 역학 공식이 부등식을 가장 크게 위반하는 것입니다.

a 및 b의 선택된 각 값에 대해 각 범주(N++, N−−, N+− 및−+ N)의 일치 횟수가 기록됩니다.그런 다음 E(a, b)에 대한 실험 추정치는 다음과 같이 계산됩니다.

(1)

네 개의 E가 모두 추정되면 검정 통계량의 실험적 추정치

(2)

찾을 수 있습니다.S가 수치적으로 2보다 크면 CHSH 부등식을 위반한 것입니다.이 실험은 QM 예측을 지지하고 모든 지역 은닉 변수 이론을 배제한 것으로 선언됩니다.

그러나 식 (2)의 사용을 정당화하기 위해서는 강력한 가정이 이루어져야 했습니다.검출된 쌍의 표본이 소스에서 방출된 쌍을 대표한다고 가정했습니다.이 가정이 참이 아닐 수도 있다는 것은 공정 표본 추출 허점을 포함합니다.

일반적인 CH74(단일채널) 실험

"단일 채널" 벨 테스트 설정
소스 S는 반대 방향으로 보내진 "광자" 쌍을 생성합니다.각 광자는 실험자가 방향을 설정할 수 있는 단일 채널(예를 들어 "플레이트 더미")의 편광기와 마주칩니다.발생 신호가 감지되고 일치 모니터 CM에 의해 일치가 카운트됩니다.

1982년 이전의 모든 실제 Bell 테스트는 "단일 채널" 편광기와 이 설정을 위해 설계된 부등식에 대한 변형을 사용했습니다.후자는 Clauser, Horne, Shimony 및 Holt가 많이 인용한 1969년 기사에서 실용적으로 [5]사용하기에 적합한 것으로 설명됩니다.CHSH 테스트와 마찬가지로 각 편광자가 두 가지 가능한 설정 중 하나를 취하는 4개의 하위 실험이 있지만 하나 또는 다른 편광자가 모두 없는 다른 하위 실험도 있습니다.카운트는 이전과 같이 계산되며 검정 통계량을 추정하는 데 사용됩니다.

(3)

여기서 기호 ∞는 편광자가 없음을 나타냅니다.

S가 0을 초과하면 실험이 CH 부등식을 위반한 것으로 선언되므로 국소 은닉 변수를 반박합니다.이 불평등은 Clauser and Horne가 1974년에 작성한 기사에서 더욱 엄격하고 약한 [9]가정 하에서 도출되었기 때문에 CHSH 대신 CH 불평등으로 알려져 있습니다.

실험가정

이론적인 가정 외에도 실제적인 가정이 있습니다.예를 들어, 관심있는 것 외에도 많은 "우연한 우연"이 있을 수 있습니다.S를 계산하기 전에 그들의 추정된 수를 빼면 어떤 편의도 도입되지 않는다고 가정하지만, 일부 사람들은 이것이 참이라고 생각하지 않습니다.동기화 문제가 있을 수 있습니다. 실제로는 쌍이 정확히 동시에 감지되지 않기 때문에 쌍을 인식하는 데 모호성이 있습니다.

그럼에도 불구하고, 실제 실험의 이러한 모든 결함에도 불구하고, 한 가지 놀라운 사실이 나타납니다. 결과는, 매우 좋은 근사치로 볼 때, 양자 역학이 예측하는 것입니다.불완전한 실험이 양자 예측과 그렇게 훌륭한 겹침을 준다면, 대부분의 일하는 양자 물리학자들은 완벽한 벨 테스트가 이루어졌을 때 벨 부등식이 여전히 위반될 것이라는 존 벨의 예상에 동의할 것입니다.이러한 태도는 현재 양자 정보 이론으로 알려진 물리학의 새로운 하위 분야의 출현으로 이어졌습니다.이 새로운 물리학 분야의 주요 업적 중 하나는 벨의 부등식을 위반하면 소위 양자 암호학(입자 쌍의 얽힌 상태를 포함하는)을 활용하는 안전한 정보 전달의 가능성을 가져온다는 것을 보여주는 것입니다.

주목할 만한 실험

지난 30여 년간 많은 Bell 테스트 실험이 수행되었습니다.실험은 지역 은닉 변수 이론을 배제하기 위해 일반적으로 해석되며, 최근에는 지역성 허점이나 탐지 허점이 적용되지 않는 실험이 수행되었습니다(Hensen et al.[10]국부적 허점이 없는 실험은 각각의 개별 측정에 대해 새로운 설정을 선택하고 신호가 실험의 한쪽 날개에서 다른 날개로 설정을 전달하기 전에 측정을 완료하는 것입니다.탐지 허점이 없는 실험은 실험의 한쪽 날개에서 성공적인 측정 결과의 거의 100%가 다른 쪽 날개에서 성공적인 측정 결과와 쌍을 이루는 실험입니다.이 백분율을 실험의 효율성이라고 합니다.기술의 발전은 벨형 불형평성을 시험할 수 있는 매우 다양한 방법들로 이어졌습니다.

가장 잘 알려진 최근의 실험은 다음과 같습니다.

카스데이, 울만 그리고 우 (1970)

레너드 랄프 카스데이, 잭 R. Ullman과 Chien-Shiung Wu는 양전자 붕괴에 의해 생성되고 콤프턴 산란에 의해 분석된 광자 쌍을 사용하여 첫 번째 실험 벨 테스트를 수행했습니다.실험은 양자 예측과 일치하고 콤프턴 산란의 알려진 편광 의존성을 따르는 국소 현실적 모델과 일치하지 않는 광자 편광 상관관계를 관찰했습니다.콤프턴 산란의 낮은 편광 선택성 때문에 결과는 벨 [11][12]부등식을 위반하지 않았습니다.

프리드먼과 클라우저 (1972)

스튜어트 J. 프리드먼(Stuart J. Freedman)과 존 클라우저(John Clauser)는 CH74 [13]부등식에 대한 변형인 프리드먼의 부등식을 사용하여 벨 부등식 위반을 관찰한 최초의 벨 테스트를 수행했습니다.

Aspect et al. (1982)

주요 기사:애스펙트의 실험

파리 오르세의 알랭 아스페와 그의 팀은 칼슘 캐스케이드 공급원을 사용하여 세 가지 벨 실험을 수행했습니다.처음과 마지막은 CH74 부등식을 사용했습니다.두 번째는 CHSH 부등식의 첫 번째 적용이었습니다.세 번째(그리고 가장 유명한)[14][15]는 (존 벨이 원래 제안한) 광자의 비행 중에 각 면의 두 설정 사이에서 선택되도록 배열되었습니다.

Tittel et al. (1998)

제네바 1998년 벨 실험은 거리가 "결박"을 파괴하지 않는다는 것을 보여주었습니다.빛은 분석되기 전에 수 킬로미터에 걸쳐 광섬유 케이블로 보내졌습니다.1985년 이후 거의 모든 벨 테스트와 마찬가지로 "파라메트릭 하향 변환"(PDC) 소스가 [16][17]사용되었습니다.

Weihs et al. (1998): "엄격한 아인슈타인 지역성" 조건에서의 실험

1998년 그레고르 웨이스(Gregor Weihs)와 안톤 자일링거(Anton Zeilinger)가 이끄는 인스브루크(Insbruck) 연구팀은 1982년 아스페의 실험을 개선하면서 "국소성" 허점을 막는 실험을 수행했습니다.검출기 선택은 양자 프로세스를 사용하여 무작위임을 확인했습니다.이 검정은 양자 [18]이론에 의해 예측된 것과 일치하는 일치 곡선인 30개 이상의 표준 편차에 의해 CHS 부등식을 위반했습니다.

판 등.GHZ 상태에 대한 실험

이것은 두 개 이상의 입자에 대한 새로운 벨형 실험의 첫 번째입니다. 이것은 세 개의 [19]입자의 소위 GHZ 상태를 사용합니다.

로우 등.(2001): 탐지의 허점을 최초로 막은 것

탐지 허점은 볼더에 있는 국립 표준 기술 연구소의 데이비드 와인랜드의 이온 저장 그룹에서 수행된 두 개의 얽힌 갇힌 이온을 이용한 실험에서 처음으로 폐쇄되었습니다.이 실험에서는 검출 효율이 90%[20]를 훨씬 넘었습니다.

Go 등 (Belle collaboration):B mesons의 벨 부등식 위반 관측

Belle 실험에서 Δ(4S)의 반렙토닉 B0 붕괴를 이용하여 입자-반입자 상관관계에서 Bell 부등식에 대한 명백한 위반이 [21]관찰됩니다.

그뢰블라허 외(2007) 레게트형 비국소실재론의 검정

Anthony Leggett이 제시한 특정한 종류의 비국소 이론은 배제됩니다.이를 바탕으로 저자들은 양자역학과 일치하는 가능한 비국소 은닉 변수 이론은 매우 [22][23]반직관적이어야 한다고 결론짓습니다.

살라트 외.(2008): Bell Test에서의 분리

이 실험은 두 검출기 [24][25]사이에 정보가 이동하기 전에 양자 상태 측정을 완료할 수 있는 충분한 18km 간격을 제공함으로써 허점을 메웠습니다.

안스만 외(2009): 고체 상태에서의 검출 허점 극복

이것은 고체 상태 큐비트로 벨 부등식을 테스트하는 첫 번째 실험이었습니다(초전도 조셉슨 위상 큐비트가 사용됨).본 실험은 한 쌍의 초전도 큐비트가 얽힌 상태에서 검출용 허점을 극복하였습니다.하지만 큐비트가 겨우 몇 [26]밀리미터밖에 분리되지 않았기 때문에 이 실험은 여전히 국소적인 허점에 시달렸습니다.

Giustina et al. (2013), Larsson et al. (2014): 광자의 검출 허점 극복

효율이 높은 검출기를 사용하여, Marissa Giustina는 광자의 검출 허점을 처음으로 막았습니다.이것은 광자를 비록 다른 [27][28]실험에서라도 모든 주요 허점이 닫힌 첫 번째 시스템으로 만듭니다.

Christensen et al. (2013): 광자의 검출 허점 극복

Christensen et al.(2013)[29]의 실험은 Giustina et al.[27]의 실험과 유사합니다.Giustina et al.은 일정한 측정 설정(4쌍의 설정마다 하나씩)으로 4번의 롱런만 수행했습니다.두 개의 측정 결과 기록(앨리스와 밥)에서 "쌍"을 형성하는 것이 실험 후에 수행되어야 하므로 실험은 펄스화되지 않았습니다. 따라서 실제로 실험은 우연의 허점에 노출됩니다.이것은 일치 허점을 제거하는 방식으로 실험 데이터를 재분석하게 했고, 다행히도 새로운 분석은 여전히 적절한 CHS나 CH [28]부등식을 위반하는 것으로 나타났습니다.다른 한편으로는 크리스텐슨 외.실험이 펄스화되고 측정 설정이 임의의 방식으로 재설정되는 경우가 많았지만, 1000개 입자 쌍당 한 번씩만 재설정되었습니다.[29]

Hensen et al., Giustina et al., Shalm et al. (2015):"구멍 없는" 벨 테스트

2015년 델프트, 비엔나 및 볼더의 독립 단체에서 3개월 이내에 처음으로 3개의 중요한 구멍 없는 벨 테스트가 발표되었습니다.세 가지 테스트 모두 검출 허점, 국소 허점 및 메모리 허점을 동시에 다루었습니다.이것은 초결정론과 같이 남아있는 모든 생각할 수 있는 허점들이 실험적으로 결코 닫히지 않을 수 있는 정말 이국적인 가설들을 요구한다는 점에서 그들을 "구멍 없는" 상태로 만듭니다.

Hensen et al.[10] 에 의해 처음으로 발표된 실험.포토닉 링크를 사용하여 2개의 질소-질소 결함 중심의 전자 스핀을 1.3km 떨어진 다이아몬드에 얽히게 하고 CHS 부등식(S = 2.42 ± 0.20) 위반을 측정했습니다.따라서 p-값이 0.039인 로컬-현실주의 가설이 기각될 수 있습니다.

둘 다 Giustina et al.과 Shalm et al.[30][31] 의 실험을 동시에 발표했습니다.엉킨 광자를 사용하여 통계적 유의성이 높은 벨 부등식 위반을 구했습니다(p-값−6 ≥10).특히 Shalm et al. 의 실험은 또한 측정 기준 선택을 결정하기 위해 세 가지 유형의 (준)난수 생성기를 결합했습니다.이 방법들 중 하나는 보조 파일에 자세히 기록되어 있는데, "문화적" 의사랜덤 소스인데, 이 소스는 백 투 더 퓨처 영화, 스타 트렉: 비욘드 더 파이널 프론티어, 몬티 파이썬과 성배, 그리고 TV 쇼 세이브 바이 더 벨과 닥터 [32]후와 같은 인기 미디어의 비트열을 사용하는 것을 포함합니다.

Schmied et al. (2016):다체 시스템에서의 벨 상관관계 검출

다입자 벨 부등식에서 파생된 벨 상관관계에 대한 목격자를 이용하여 바젤 대학교의 물리학자들은 보스-아인슈타인 응축수에서 약 480개의 원자로 구성된 다체계에서 벨 상관관계를 처음으로 결론지을 수 있었습니다.허점을 막지는 못했지만, 이 실험은 거시적 영역에서 벨 상관관계를 관찰할 수 있는 가능성을 보여줍니다.

Handsteiner et al. (2017): "Cosmic Bell Test" - 은하수 별에서 측정 설정

매사추세츠 공과대학교의 데이비드 카이저(David Kaiser)와 양자광학 및 양자정보연구소(Institute for [34]Quantum Optics and Quantum Information and University of Vienna)의 안톤 자일링거(Anton Zeilinger)가 이끄는 물리학자들은 지구까지 600년이 걸린 별빛을 측정함으로써 "비국소성과 일치하는 결과를 만들어 내는" 실험을 수행했습니다.이 실험은 "숨겨진 변수가 [35][36][37]관련될 수 있는 시공간 영역을 극적으로 제한하기 위한 첫 번째 실험"입니다.

Rosenfeld et al. (2017): 얽힌 원자와 닫힌 검출 및 국소성 허점을 이용한 "Event-Ready" Bell 테스트

뮌헨의 루트비히 막시밀리안 대학과 막스 플랑크 양자광학연구소의 물리학자들은 분리거리 398미터의 원자 두 개의 얽힌 스핀 상태를 사용하여 벨 부등식 위반을 관찰한 실험 결과를 발표했습니다.그리고 기억의 허점은 닫혔습니다.7개월간의 데이터와 55,000개의 이벤트 또는 100,000개의 이벤트가 있는 단일 실행에서 P = 2.57×10의 상한을 고려할 때 S = 2.189 ± 0.033의 위반은 유의 값 P = 1.02×10의 지역 현실성을 거부했습니다.

BIG Bell Test Collaboration (2018):"인간의 선택으로 지역 현실주의에 도전"

국제적인 공동 과학 연구는 임의의 숫자 생성기를 사용하는 대신 임의의 인간 선택을 사용하여 측정 설정을 정의했습니다.인간의 자유의지가 존재한다고 가정한다면, 이는 "선택의 자유의 허점"을 막을 것입니다.실험이 통계적으로 [39]유의미할 수 있도록 충분한 정보를 제공하기 위해 약 100,000명의 참가자를 모집했습니다.

Rauch et al (2018): 먼 퀘이사로부터의 측정 설정

2018년 한 국제 연구팀은 두 개의 퀘이사(하나는 약 80억 년 전에, 다른 하나는 약 120억 년 전에 빛이 생성됨)에서 나온 빛을 측정 [40]설정의 기초로 사용했습니다.이 실험은 과거에 설정이 상호 결정될 수 있었던 시기를 최소 78억 년으로 앞당겼습니다. 이는 초결정론적 한계(138억 [41]년 전 우주 생성)의 상당 부분입니다.

2019년 PBS Nova 에피소드 아인슈타인의 퀀텀 리들은 카나리아 [42]제도에 위치한 고고도 테이데 천문대의 과학 팀이 현장에 있는 장면과 함께 이 "우주 종 테스트" 측정을 기록합니다.

Storz 등(2023):초전도회로의 Loophole-free Bell 부등식 위반

2023년 ETH 취리히의 안드레아스 월라프 그룹이 이끄는 국제 팀은 30미터 [43]거리에 걸친 극저온 링크를 통해 결정적으로 얽힌 초전도 회로로 CHSH 불평등의 허점 없는 위반을 입증했습니다.

허점

비록 점점 더 정교한 벨 실험의 일련의 실험들이 물리학계에 국소적인 숨겨진 변수 이론들이 옹호될 수 없다는 것을 확신시켜 주었지만,[44] 그것들이 결코 완전히 배제될 수는 없습니다.예를 들어, 모든 실험과 결과(그리고 다른 모든 것)가 미리 결정되어 있다는 초결정론의 가설을 [45]배제할 수 없습니다.

2015년까지 벨 부등식을 위반하는 모든 실험의 결과는 여전히 검출 허점 및/또는 국소 허점을 이용하여 이론적으로 설명될 수 있습니다.로컬리티(또는 통신) 허점은 실제로 두 탐지가 시간과 유사한 간격으로 분리되기 때문에 첫 번째 탐지가 신호의 종류에 따라 두 번째 탐지에 영향을 미칠 수 있음을 의미합니다.이러한 허점을 방지하기 위해 실험자는 측정 전에 입자가 멀리 이동하고 측정 과정이 신속한지 확인해야 합니다.더 심각한 것은 검출(또는 부당한 샘플링) 허점입니다. 왜냐하면 실험의 양쪽 날개에서 입자가 항상 검출되는 것은 아니기 때문입니다.완전한 입자 집합은 무작위로 동작한다고 상상할 수 있지만, 기기는 검출이 로컬 숨겨진 변수와 검출기 [citation needed]설정의 조합에 의존하도록 함으로써 양자 상관 관계를 보여주는 하위 샘플만 검출합니다.

실험자들은 허점이 없는 실험이 가까운 [46][47]미래에 기대될 수 있다고 계속해서 목소리를 높였습니다.2015년에는 1.3km(1,300m)[10] 거리에서 얽힌 다이아몬드 스핀을 사용하여 허점이 없는 벨 위반이 보고되었으며 얽힌 광자 [30][31]쌍을 사용한 두 가지 실험으로 입증되었습니다.

다른 공간 구성, 측정 설정을 결정하는 방법 및 기록 장치를 테스트함으로써 로컬 리얼리즘을 따르는 나머지 가능한 이론을 더욱 제한할 수 있습니다.측정 설정을 생성하고 결과를 관찰하기 위해 사람을 사용하는 것이 추가 [48]테스트를 제공할 수 있다고 제안되었습니다.MIT의 데이비드 카이저는 2015년 뉴욕 타임즈에 "루프홀이 없는" 실험의 잠재적인 약점은 측정에 무작위성을 추가하기 위해 사용되는 시스템이 [49]실험에서 감지되지 않은 방법으로 미리 결정되었을 수 있다는 것이라고 말했습니다.

탐지 허점

광학 벨 테스트에서 일반적인 문제는 방출된 광자 중 극히 일부만 검출된다는 것입니다.검출된 광자의 상관관계가 대표적이지 않을 가능성이 있습니다. 비록 그것들이 벨 부등식의 위반을 보여주지만, 만약 모든 광자가 검출된다면 벨 부등식은 실제로 존중될 것입니다.이것은 1970년 [50]펄레가 처음으로 주목했는데, 그는 측정 설정이 양호한 경우에만 광자를 탐지하도록 함으로써 벨 위반을 위장하는 지역 은닉 변수 모델을 고안했습니다.이런 일이 일어나지 않는다는 가정, 즉 작은 표본이 실제로 전체를 대표한다는 가정을 공정 표본 가정이라고 합니다.

이러한 가정을 없애기 위해서는 광자의 많은 부분을 감지해야 합니다.이는 일반적으로 광검출기가 그것에 도달한 광자를 검출할 확률로 정의되는 검출 효율성 {\의 관점에서 특징지어집니다.Garg와 Mermin은 최대로 얽힌 상태와 CHS 부등식을 사용할 때 루프홀 없는 위반에 대해η > - 2 ≈ > - 의 효율이 필요하다는 것을 보여주었습니다.나중에 에버하드는 부분적으로 얽힌 상태를 사용할 때 CHS [53]부등식에 대한 최적 경계인 > 0{\>.67[52]에 대해 허점 없는 위반이 가능하다는 것을 보여주었습니다.다른 벨 부등식들은 심지어 더 낮은 경계들을 허용합니다.예를 들어η> ( - 1) / ≈ {\ > / 에 대해 위반되는 4가지 설정 부등식이 존재합니다.

역사적으로, 오직 비광학적 시스템을 사용한 실험만이 갇혀있는 이온,[55] 초전도 큐비트,[56] 질소-공백 [57]센터와 같이 이 허점을 막을 수 있을 만큼 충분히 높은 효율에 도달할 수 있었습니다.이 실험들은 광자로 쉽게 할 수 있는 국소적인 허점을 막을 수 없었습니다.그러나 최근에는 광학 설정이 초전도 [30][31]광검출기를 사용하여 충분히 높은 검출 효율에 도달할 수 있었고, 하이브리드 설정은 물질 시스템의 전형적인 높은 검출 효율과 광자 [10]시스템의 전형적인 거리에서 얽힘을 분산시키는 용이함을 결합할 수 있었습니다.

국소성 허점

벨 정리의 가정 중 하나는 국소성의 가정, 즉 측정 부위에서의 설정 선택이 다른 것의 결과에 영향을 미치지 않는다는 가정입니다.이러한 가정의 동기는 빛보다 빠른 의사소통을 금지하는 상대성 이론입니다.실험에 적용하려는 이러한 동기를 위해서는 측정 이벤트 사이에 공간과 같은 분리가 필요합니다.즉, 측정 설정 선택과 결과 생성 사이에 걸리는 시간은 광 신호가 측정 부위 [58]사이를 이동하는 데 걸리는 시간보다 짧아야 합니다.

이 조건을 존중하기 위해 노력한 첫 번째 실험은 Alain Aspect의 1982년 [15]실험입니다.그 안에서 설정은 충분히 빠르게 변경되었지만 결정적으로 변경되었습니다.Weihs et al. 의 1998년 [18]실험은 양자 난수 생성기를 이용하여 임의로 설정을 변경하는 최초의 실험이었습니다.Scheidl et al. 은 2010년에 144 km(89 [59]mi)의 거리로 분리된 위치 간의 실험을 수행함으로써 이를 더욱 개선하였습니다.

우연공

많은 실험들, 특히 광자 편광에 기초한 실험들에서, 그들의 검출 시간이 서로 충분히 가까운지의 여부를 판단함으로써, 실험의 두 날개의 사건들의 쌍들은 실험이 수행된 후에 단지 하나의 쌍에 속하는 것으로 식별됩니다.이를 통해 로컬 은닉 변수 이론이 양자 상관 관계를 "가짜"할 수 있는 새로운 가능성이 발생합니다. 즉, 입자가 운반하는 은닉 변수와 [60]측정 스테이션에서 만나는 검출기 설정 사이의 관계에 따라 두 입자 각각의 검출 시간을 더 많거나 더 적은 양으로 지연시킵니다.

일치 루프홀은 동일한 창에서 발생하는 대부분의 이벤트 쌍이 동일한 방출로 발생하고 실제 쌍이 창 [60]경계에 의해 분리되지 않을 정도로 충분히 긴 탐지 창의 미리 고정된 격자로 작업하는 것만으로 완전히 배제될 수 있습니다.

메모리 허점

대부분의 실험에서 측정은 동일한 두 위치에서 반복적으로 수행됩니다.국소 은닉 변수 이론은 벨 부등식 위반을 증가시키기 위해 과거의 측정 설정과 결과의 기억을 이용할 수 있습니다.또한 물리적 파라미터는 시간에 따라 달라질 수 있습니다.각 측정 쌍이 새로운 랜덤 측정 설정으로 수행될 경우 메모리나 시간 비균질성 모두 [61][62][63]실험에 심각한 영향을 미치지 않는 것으로 나타났습니다.

초결정론

주요 기사:초결정론

벨의 정리를 도출하는 데 필요한 가정은 숨겨진 변수가 측정 설정과 상관 관계가 없다는 것입니다.이 가정은 실험자가 설정을 선택할 수 있는 "자유 의지"가 있고, 애초에 과학을 하는 데 필요하다는 근거로 정당화되었습니다.측정하는 [45]시스템에 의해 측정 선택이 결정되는 (가정적) 이론을 초결정론이라고 합니다.

다세계의 허점

에버렛 해석으로도 알려진 다세계 해석은 결정론적이고 붕괴가 없는 양자역학의 단일 부분으로 구성된 국부적인 역학을 가지고 있습니다.측정값이 단일 결과를 갖는다는 [64]암묵적인 가정 때문에 벨의 정리가 적용되지 않습니다.

참고 항목

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