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Sandbox Physics
量子物理:读懂证据

诺奖 A · 证据与操控 · 1897–2022

事件就绪的 Bell 检验:先数试次,再数胜局

Sandbox Physics ·

设置选择前的就绪信号,为什么不同于事后只留下有利探测?

就绪信号定义哪次尝试成为试次

Hensen 等人在 2015 年用中央光子就绪信号,为远隔电子自旋的 Bell 检验制备状态。在局域测量选择之前先确认制备成功,随后以高效自旋读出给每个已接纳试次提供结果。

比较两份记录:第一份先固定制备标志,再产生新输入,并保留之后的每个输出;第二份已有输入与输出,才只留下有吸引力的符合。两者都选择数据,但因果次序给局域模型留下完全不同的机会。

证据阅读:B. Hensen et al. (2015), Experimental Loophole-Free Violation of a Bell Inequality Using Entangled Electron Spins Separated by 1.3 km — author manuscript, arXiv:1508.05949

小小的游戏让局域界限可见

用二值输入比特与输出比特作一个说明性 CHSH 游戏。下式要求输出奇偶性等于输入乘积。两侧可以知道共同指令,但只能按自己的输入回答;输入均匀分布,并独立于共同指令。

输入组合只有四种。确定性局域指令为每侧的两个输入各指定答案,前三种组合的奇偶要求会强迫第四种失分,或出现等价的另一处失败。把指令作共享随机混合,也不能使最大平均胜率超过四分之三。

u⊕v=ab,Pwinlocal≤34\begin{aligned}u\oplus v&=a b,\\ P_{\mathrm{win}}^{\mathrm{local}}&\leq\frac34\end{aligned}

证据阅读:D. Elkouss and S. Wehner (2016), (Nearly) Optimal P-Values for All Bell Inequalities — author manuscript, arXiv:1510.07233v3; npj Quantum Information 2, 16026

把报告的统计量与游戏得分分开

2015 年自旋实验记录 245 次试次,其中 196 次游戏胜局;还报告 CHSH 关联值为 2.42,按传统方法计算的标准差为 0.20。各设置出现次数并不完全相同,所以关联估计量与总胜率的换算,数值未必一致。

简单记账可知胜率为五分之四。假定输入频数严格相等的换算给出 2.4,而非 2.42。这不是报告自相矛盾的证据,而是提醒读者保留统计量定义,不要用方便的舍入代理替换它。

证据阅读:B. Hensen et al. (2015), Experimental Loophole-Free Violation of a Bell Inequality Using Entangled Electron Spins Separated by 1.3 km — author manuscript, arXiv:1508.05949D. Elkouss and S. Wehner (2016), (Nearly) Optimal P-Values for All Bell Inequalities — author manuscript, arXiv:1510.07233v3; npj Quantum Information 2, 16026

器件记忆不必使界限失效

如果每次输入仍然新鲜且独立,局域器件即使用上全部历史输入与结果,也仍受到同一个条件胜率上界约束。有限样本分析可以利用逐次约束,无需假定装置行为同分布。

固定试次数、理想均匀输入时,成功概率为四分之三的二项分布上尾给出游戏得分界限。输入可预测会改变界限,选择停止时刻会改变可用检验;所以实际实验处理不完美的方法,必须与报告的 p 值一起保留。

证据阅读:D. Elkouss and S. Wehner (2016), (Nearly) Optimal P-Values for All Bell Inequalities — author manuscript, arXiv:1510.07233v3; npj Quantum Information 2, 16026

p 值是有条件的证据

Hensen 的分析允许器件记忆,并考虑实测设置不完美,报告 p 值约为 0.039。它陈述的是在指定局域零假设下,统计量有多极端,并不是局域性为真的后验概率有百分之三点九。

核对时应在引用显著性数字之前,先要已接纳试次规则、得分约定、设置假设及停止规则。正态误差摘要与允许对抗性记忆的检验,回答不同统计问题;两者都不会使设置独立性假设变得多余。

证据阅读:B. Hensen et al. (2015), Experimental Loophole-Free Violation of a Bell Inequality Using Entangled Electron Spins Separated by 1.3 km — author manuscript, arXiv:1508.05949D. Elkouss and S. Wehner (2016), (Nearly) Optimal P-Values for All Bell Inequalities — author manuscript, arXiv:1510.07233v3; npj Quantum Information 2, 16026

不同平台用不同方法处理损失

Giustina 等人 2015 年光子实验结合高效探测,使用另一条不等式与试次处理方式,不能改写成仅把自旋换成光子的同一实验。事件就绪自旋试次,与明确计入未探测的光学试次,各有自身得分及时间约定。

链接 Lab 用理想模型解释采样与条件量子协议,没有复现原始 245 次试次、探测器标定或时空认证。结论针对满足已声明因果与输入假设的局域模型,既不是传信协议,也没有消除一切可想象的隐变量理论。

证据阅读:Giustina et al. (2015), Significant-loophole-free test of Bell’s theorem with entangled photons

来源与阅读说明

本文核读 Hensen 等人 2015 年 arXiv 稿中的 245 次试次结果,以及 Elkouss 与 Wehner 的统计分析;另读 Giustina 等人同年光子论文,用于比较试次处理。游戏枚举与理想二项尾概率是独立说明计算,不是对原始事件日志的再分析。

  1. B. Hensen et al. (2015), Experimental Loophole-Free Violation of a Bell Inequality Using Entangled Electron Spins Separated by 1.3 km — author manuscript, arXiv:1508.05949
  2. D. Elkouss and S. Wehner (2016), (Nearly) Optimal P-Values for All Bell Inequalities — author manuscript, arXiv:1510.07233v3; npj Quantum Information 2, 16026
  3. Giustina et al. (2015), Significant-loophole-free test of Bell’s theorem with entangled photons
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