home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #16 / NN_1992_16.iso / spool / sci / physics / 11701 < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1992-07-26  |  10.2 KB  |  264 lines

  1. Newsgroups: sci.physics
  2. Path: sparky!uunet!cs.utexas.edu!sun-barr!ames!riacs!danforth
  3. From: danforth@riacs.edu (Douglas G. Danforth)
  4. Subject: RESULTS: Bell dethrowned
  5. Message-ID: <1992Jul27.041310.7281@riacs.edu>
  6. Keywords: EPR, Quantum mechanics, Bell, Aspect, Locality, efficiency
  7. Sender: news@riacs.edu
  8. Organization: RIACS, NASA Ames Research Center
  9. Date: Mon, 27 Jul 92 04:13:10 GMT
  10. Lines: 252
  11.  
  12.  
  13. In the spirit of John Baez's recent post asking for more real news I offer
  14. the following preprint.
  15.  
  16. I wish to publicly thank Bill Taylor (wft@math.canterbury.ac.nz) for his Jun
  17. 4th posting which crystalized my thinking on this subject.
  18.  
  19. Comments, suggestions, and criticisms are welcomed.
  20.  
  21. -----------------------------------------------------------------------------
  22.     <<DRAFT>> <<DRAFT>> <<DRAFT>> <<DRAFT>> <<DRAFT>> <<DRAFT>> <<DRAFT>>
  23.      
  24.      A LOCAL HIDDEN VARIABLES MODEL THAT EXPLOITS DETECTOR INEFFICIENCY
  25.      WHICH EXACTLY REPRODUCES THE QUANTUM MECHANICAL PREDICTION
  26.             FOR TWO PARTICLE CORRELATIONS
  27.                  
  28.                  
  29.                  Douglas G. Danforth
  30.                 July 24, 1992
  31.  
  32.  
  33.  
  34. I. INTRODUCTION
  35.  
  36. J. S. Bell [1] derived an inequality which any local theory of quantum
  37. mechanics must satisfy. The inequality is incompatible with standard quantum
  38. mechanical predictions and with experiment [2].  His conclusion was that
  39. any theory that reproduces exactly the quantum mechanical predictions must
  40. have a grossly nonlocal structure.
  41.  
  42. It is claimed here that Bell's inequality does not represent all local
  43. quantum theories due to the loophole of detector efficiency. An explicit
  44. model is herein constructed that does reproduce exactly the quantum
  45. mechanical predictions. The detector efficiency of the model is 4/(pi+2)
  46. (77.8%).
  47.  
  48.  
  49. II. PRELIMINARIES
  50.  
  51. Bell introduces the quantities A(a,v), B(b,v) to represent the results of
  52. measurements by detector A with orientation 'a' and hidden variables v and
  53. detector B with orientation 'b' and hidden variables v. His equation (1)
  54. states 
  55.  
  56.         A(a,v) = +-1, B(b,v) = +-1.                                     (1)
  57.  
  58. The hidden variables are assumed to be governed by a probability density
  59. function f(v) which is normalized,
  60.  
  61.         /dv f(v) = 1.                                                   (2)
  62.  
  63. The expected correlation between measurements A and B is defined as:
  64.  
  65.     P(a,b) = /dv f(v) A(a,v)B(b,v).                    (3)
  66.  
  67. Aspect [2] defines a quantity E(a,b) to estimate P(a,b) using detector counts
  68. R(a,b) as:
  69.          
  70.          R++(a,b) + R--(a,b) - R+-(a,b) - R-+(a,b)
  71.     E(a,b) = -----------------------------------------
  72.          R++(a,b) + R--(a,b) + R+-(a,b) + R-+(a,b)
  73.  
  74.  
  75.  
  76. He finds the following constraints satisfied by his measurements:
  77.  
  78.          R++(a,b) + R+-(a,b) = R-+(a,b) + R--(a,b) = constant    (4)
  79.     
  80.          R++(a,b) + R+-(a,b) + R-+(a,b) + R--(a,b) = constant    (5)
  81.  
  82. That is, the marginal counts (marginal given joint detection) for detector
  83. A are independent of angle 'a' and equal to the marginal counts of 
  84. detector B which is independent of angle 'b'. Secondly, he finds the total
  85. joint counts to be constant and independent of detector angles.
  86.  
  87. The experimental results and the standard quantum mechanical prediction 
  88. agree to high accuracy and give a cos2(a-b) dependency:
  89.  
  90.     E(a,b) = cos2(a-b).                        (6)
  91.  
  92. To be in accord with experiment, any local quantum mechanical model must
  93. satisfy (4,5, and 6).
  94.  
  95.  
  96. III. CROWN MODEL
  97.  
  98. Let the hidden variables form a Euclidean 3-space. Picture in this space a
  99. King's crown; flat base and scalloped top. The crown is partitioned into 4
  100. equal quadrants with alternating colors of red and green; red, green,
  101. red, green, around the crown. The partition lines run vertically from base
  102. to top. There are four identical scallops, one in each quadrant. The lowest
  103. point of each scallop is halfway between the base and the highest point of
  104. the scallops. The equation for the form of a scallop is given by the function
  105. g where,
  106.            
  107.            1
  108.     g(x) = - sin2x,      0 <= x <= pi/2 .                (7)
  109.            8
  110.  
  111. The crown represents the results of measurments for detector A at
  112. a fixed orientation.  As the detector rotates the crown rotates in
  113. accord, around its vertical axis of symmetry (the base stays level).
  114.  
  115. Points in this hidden variable space outside the crown represent 
  116. events of nondetection.  Red points represent the detection of a
  117. particle with + polarization.  Green points represent detection of
  118. a particle with - polarization.
  119.  
  120. Detector B is constructed identically to A except that it is flipped
  121. upside down. Take these two crowns and superimpose them so they have
  122. the same axis of symmetry with base touching top and top touching base.
  123.  
  124. The resultant composite is a band (the hidden variables density function, f,
  125. is uniform over this band). The scallops of the crowns fall in the
  126. unscalloped region of the other crown. When the detector angles are equal,
  127. a=b, the crowns align with red overlapping only red and green overlapping
  128. only green.
  129.  
  130.  
  131. The choice of the function g is dictated by the way a partition line
  132. cuts across the function as one crown rotates. A base region forms a
  133. rectangle on top of g.  When aligned all of g is enclosed.  When partially
  134. aligned the area of g enclosed is the integral under the curve of g within
  135. the enclosure.  Let t=a-b then  
  136.      
  137.      pi/2             2
  138.     /dx sin(2x) = cos(t)                         
  139.        t
  140.                                     (8)
  141.      t                2
  142.     /dx sin(2x) = sin(t),                       
  143.        0
  144.  
  145. (note the symmetry in the constuction so that one obtains the same result
  146. whether a>b or a<b). Since red and green regions are 90 degrees apart a
  147. decrease of overlap in one causes and increase in overlap of the other but
  148. shifted by 90 degrees. If red-red and green-green overlap is weighted
  149. positively and red-green and green-red overlap is weighted negatively
  150. then the weighted integral of the 8 (top and bottom) overlap regions is
  151. precisely the average correlation function defined by Bell, namely
  152.  
  153.     A(a,v) = region of crown A (with signs)
  154.     
  155.     B(b,v) = region of crown B (with signs)
  156.  
  157.     f(v)   = uniform over band (A UNION B).
  158.  
  159.     P(a,b) = /dv f(v) A(a,v) B(b,v) 
  160.  
  161.                    pi/2        a-b    
  162.                = 8/dx g(x) - 8/dx g(x)
  163.                 a-b          0
  164.                     
  165.                     2          2
  166.                = cos(a-b) - sin(a-b) 
  167.  
  168.                = cos2(a-b).
  169.  
  170. The crown model exactly reproduces the quantum mechanical predictions. It
  171. also satisfies (4) and (5).
  172.  
  173. IV. EFFICIENCY
  174.  
  175. If p is the probability that a particle incident on a detector will be
  176. observed and N events occur then K = Np is the expected number of
  177. observations for a single detector.  If whether a particle is observed at
  178. detector A is a process independent of whether a particle is observed at
  179. detector B then the probability that both detectors will observe a particle
  180. given that one is present at each detector is p^2.  For N events the
  181. expected number of joint observations is J = Np^2.  From J and K one can
  182. estimate the efficiency of a detector to be
  183.  
  184.     p = J / K    (estimated detector efficiency).
  185.  
  186.  
  187. For the crown model, the probability of an observation at a single detector 
  188. is equal to the area of a crown (band area equals 1). This area is (1/2 +
  189. 1/pi) (81.8%). The probability of a joint detection is equal to the area
  190. under the scallops (from the scallop curve to the mid line of the crown).
  191. This area is 2/pi (63.6%).  The ratio of these two numbers provides a
  192. measured estimate of the detector efficiency
  193.              
  194.                                2/pi         4
  195.     measureable crown  efficiency = ---------- = ------ = 77.5%.
  196.                           (1/2+1/pi)   (pi+2)
  197.  
  198.  
  199. V. DETECTION CORRELATIONS
  200.  
  201. Several comments need to be made.  The actual probability of detecting a
  202. particle (81.8%) is not the same as the measureable efficiency (77.5%).
  203. This is due to the fact that the assumption of independence of observations
  204. between the detectors is false for the crown model.  Nothing mysterious
  205. causes this detection correlation.  It is a local phenomena.  The information
  206. can be carried in the hidden variables in exactly the same way that the
  207. polarization of the particles is carried from the source to the detectors,
  208. thereby inducing correlations in polarization measurements.
  209.  
  210.  
  211. VI. DISCUSSION
  212.  
  213. A local hidden variable model has been introduced that exactly reproduces
  214. the quantum mechanical predictions for two particle polarization
  215. correlations.  
  216.  
  217. The model does not violate Bell's inequality simply because Bell's assuptions
  218. do not apply to this model. Bell assumed 100% efficiency. The crown model is
  219. 77.8% efficient.
  220.  
  221. With perfect detectors one is forced to assume that A(a,v) = B(a,v). This is
  222. not true for imperfect detectors since the functions A and B differ on points
  223. v where partial detection takes place.
  224.  
  225. Since imperfect detection occurs one can no longer assume B^2=1 as Bell
  226. does in the derivation of his inequality (futher discussion is necessary
  227. on this point but will not be carried out here).
  228.  
  229. The crown model is a member of a class of models in n-dimensional hidden
  230. variable space where thick loops of variable cross section slide within tubes
  231. of fixed cross section. All that is needed to satisfy the quantum mechanical
  232. correlation function is that the integrated volume within a quadrant along a
  233. loop obeys a cos^2 law. All members of this class have the efficiency of the
  234. crown model.
  235.  
  236. It is an open question whether other classes exist with higher efficiencies.
  237.  
  238.  
  239. CONCLUSION
  240.  
  241. Neither theory [1] nor experiment [2] has ruled out the possibility of local
  242. realisitic models of quantum mechanics due to detector inefficiency. Aspect's
  243. [2] experiment fails to meet the perfect detector assumption used by Bell [1]
  244. and so any conclusions based on Aspect's results are inappropriate.
  245.  
  246. The discovery of a class of models with 77.8% efficiency which exactly
  247. reproduces the quantum mechanical results shows that further theoretical work
  248. is needed to place an upper bound on the efficiency of local realistic models
  249. capable of reproducing the quantum mechanical predictions. Once this has been
  250. accomplished experimentation can begin again to determine whether nature
  251. violates locality.
  252.  
  253.  
  254.  
  255. REFERENCES
  256.  
  257. [1] Bell, J.S. (1964). On the Einstein Podolsky Rosen Paradox. Physics
  258.     Vol. I, No. 3, pp. 195-200.
  259.  
  260. [2] Aspect, A., P. Grangier, and G. Roger (1982). Experimental Realization 
  261.     of Einstein-Podolsky-Rosen-Bohm, Gedankenexperiment: A New Violation of 
  262.     Bell's Inequalities.  Physical Review Letters, Vol. 49, No. 2, pp. 91-94.
  263.  
  264.