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/ NetNews Usenet Archive 1992 #18 / NN_1992_18.iso / spool / sci / physics / 13119 < prev    next >
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Internet Message Format  |  1992-08-20  |  10.2 KB

  1. Path: sparky!uunet!wupost!sdd.hp.com!uakari.primate.wisc.edu!ames!pacbell.com!well!sarfatti
  2. From: sarfatti@well.sf.ca.us (Jack Sarfatti)
  3. Newsgroups: sci.physics
  4. Subject: Everything is unitary!
  5. Message-ID: <BtA3w6.K4u@well.sf.ca.us>
  6. Date: 20 Aug 92 11:00:06 GMT
  7. Sender: news@well.sf.ca.us
  8. Organization: Whole Earth 'Lectronic Link
  9. Lines: 270
  10.  
  11.  
  12. Quantum Spin Connection Communication is Unitary
  13. by Jack Sarfatti
  14.  
  15. #1 The alleged Achilles Heel of faster-than-light (FTL) and backward-in-
  16. time (BIT) communicator designs is not causal paradox but unitarity. In
  17. the particular case I have put forward the consensus of opinion of Brian
  18. Josephson, Carlton Caves, Aephraim Steinberg and Michael Gallis is that
  19. my error is in the apparent non-unitarity of the local transformation at
  20. the transmitter beam recombiner. I will show that this transformation is
  21. one-sided unitary for pair-correlated light and that the response of the
  22. recombiner for pair correlated light is not the same as the response of
  23. the same recombiner for ordinary uncorrelated light.
  24.  
  25. #2 Let us recall the configuration for the transmitter. A doubly-
  26. refracting calcite rhomb provides two alternative (i.e., extraordinary E
  27. and ordinary O) paths for the transmitter photon 1. The linear
  28. polarization of the photon in the E path is perpendicular to that photon
  29. in the O path. The absolute orientation of this polarization frame
  30. (i.e., spin basis) is determined by a plane in the anisotropic crystal
  31. at the moment that the photon locally interacts with the crystal. The E
  32. output from the calcite passes through a phase plate whose position can
  33. be changed between successive photons to provide a variable relative
  34. phase shift phi(1) which will be the modulation variable on which to
  35. encode the message. The E output from the phase plate P is externally
  36. reflected by a non-absorbing mirror M (i.e. reflection phase shift of pi
  37. for M) to the input port I(M) of a 50-50 beam recombiner B. The O output
  38. from the calcite passes through a half-wave plate H placed at 45 degrees
  39. to the plane of O polarization. The half-wave plate, therefore, rotates
  40. the O polarization by 90 degrees so that it coincides with the E
  41. polarization. The output from the half-wave plate is fed into the second
  42. input port I(H) of the recombiner. The two outputs I(M) and I(H) from
  43. the recombiner are each fed to separate transmitter counters C(1+) and
  44. C(1-).
  45.  
  46. #3 The receiver placed on the opposite side of a photon pair source is
  47. an identical calcite rhomb oriented at angle x relative to the
  48. transmitter rhomb. The local polarization frame of the receiver rhomb is
  49. denoted by e and o. The e and o outputs from the receiver calcite are
  50. each fed into separate receiver counters C(2+) and C(2-). The message
  51. encoded on the photon pair spin connection by varying phi(1) in time for
  52. different pairs is locally decoded by measuring the time variation of
  53. C(2+)-C(2-). According to the "unitarity" arguments this difference is
  54. absolutely zero under all conditions. I dispute this conclusion.
  55.  
  56. #4 Note that in the "delayed choice" mode where the arrival of
  57. transmitter photon 1 is delayed relative to the arrival of its twin
  58. receiver photon 2, the message can be decoded before it is encoded! The
  59. usual time sequence between cause and effect is reversed.
  60.  
  61. #5 Furthermore, it can be shown that the receiver can sense the
  62. difference between a left and right-handed rotation of the far-away
  63. transmitter calcite so that this causality-violating process also
  64. violates the mirror symmetry of parity like the weak force.
  65.  
  66. #6 Such a causality-violating superluminal universe need not lead to
  67. paradoxes as shown in recent papers by Kip Thorne et-al. Indeed, Stephen
  68. Hawking has invoked superluminal effects in quantum gravity to explain
  69. why the universe started off: a) spatially homogeneous and isotropic
  70. "even though different regions were not in causal contact according to
  71. the classical metric"; b) in thermal equilibrium; c) why there are no
  72. magnetic monopoles; d) why the universe is spatially flat; e) why the
  73. cosmological constant is zero.
  74.  
  75. #7 The low energy mechanism I propose here has no obvious connection to
  76. ultra-high energy quantum gravity at the Planck scale of 10-43 seconds,
  77. but it can provide the mechanism for the intelligent creation of the
  78. universe from the future in a kind of super-strong Anthropic
  79. Cosmological Principle.
  80.  
  81. #8 (For the record, my old high school peer Professor Robert Solovay of
  82. the Department of Mathematics at U.C. Berkeley calls this "drivel".)
  83.  
  84. #9 First consider ordinary uncorrelated light incident on the
  85. transmitter. Suppose the single photon state is
  86.  
  87. |1> = cosx|E1> + sinx|O1>  (1)
  88.  
  89. The phase plate P induces the transformation
  90.  
  91. P|1> = e^iphi(1)cosx|E1> + sinx|O1>  (2)
  92.  
  93. The mirror M induces
  94.  
  95. MP|1> = -e^iphi(1)cosx|E1> + sinx|O1>  (3)
  96.  
  97. The half-wave plate induces
  98.  
  99. HMP|1> = -e^iphi(1)cosx|E1> + sinx|E1>
  100.  
  101.        = [-e^iphi(1)cosx + sinx]|E1>   (4)
  102.  
  103.  
  104. What does the beam recombiner B do? Let the relative phase shift between
  105. the reflected and the transmitted beams be b. Let the transmission
  106. amplitude transfer function be T = |T|e^iphi(T) (5) and the reflection
  107. transfer function be R = |R|e^iphi(R) (6) so that b = phi(R) - phi(T)
  108. (7). Let the input ket to transmitter counter C(1+) [C(1-)] be |1+>
  109. [|1->] where <1+|1-> = 0 (8). Therefore
  110.  
  111. |1>' = BHMP|1>
  112.  
  113. = [-Re^iphi(1)cosx + Tsinx]|1+> + [-Te^iphi(1)cosx + Rsinx]|1->  (9)
  114.  
  115. Unitarity means conservation of probability. Therefore,
  116.  
  117. |-Re^iphi(1)cosx + Tsinx|^2 + |-Te^iphi(1)cosx + Rsinx|^2 = 1      (10a)
  118.  
  119.  
  120. |R|^2 (cosx)^2 + |T|^2 (sinx)^2 - 2sinxcosx|R||T|cos(phi+b)
  121.  
  122. + |T|^2 (cosx)^2 + |R|^2 (sinx)^2 - 2sinxcosx|R||T|cos(phi-b) = 1  (10b)
  123.  
  124.  
  125. Use |R|^2 + |T|^2 = 1  (10c)
  126.  
  127. Therefore,
  128.  
  129. 1 -2sinxcosx|R||T|cos(phi+b)- 2sinxcosx|R||T|cos(phi-b) = 1        (10d)
  130.  
  131.  
  132. 2sinxcosxcos(phi)cos(b) = 0                                        (10e)
  133.  
  134. cos(b) = 0 for uncorrelated light if no absorption  (10f)
  135.  
  136. If there is absorption
  137.  
  138. |R|^2 + |T|^2 = 1 - |A|^2      (10g)
  139.  
  140. 1-2sinxcosx|R||T|cos(phi+b)-2sinxcosx|R||T|cos(phi-b)+|A|^2 = 1 (10f)
  141.  
  142. so that b is shifted by absorption to
  143.  
  144. cos(b) = |A|^2/2sinxcosx|R||T|cos(phi)     (10g)
  145.  
  146. Clearly b is not an absolute constant independent of the input to the
  147. recombiner.
  148.  
  149.  
  150.  
  151. #10 The effect of absorption or stimulated emission for an active beam
  152. recombiner will be treated in another paper. Notice, if b could be
  153. forced to be other than 90 degrees it would signal the opening of new
  154. channels like resonant absorption or even, perhaps, the cohering of
  155. vacuum fluctuations.
  156.  
  157. #11 The transmitter for ordinary light will show first order coherence
  158. (local fringe visibility) for the interferogram at each counter. For
  159. example the response probability of C(1+) is
  160.  
  161. p(1+) = |<1+|1>'|^2
  162.  
  163. = |R|^2 (cosx)^2 + |T|^2 (sinx)^2 - 2sinxcosx|R||T|cos(phi+pi/2)
  164.  
  165. = |R|^2 (cosx)^2 + |T|^2 (sinx)^2 + 2sinxcosx|R||T|sin(phi)        (11a)
  166.  
  167. and p(1-) = 1 - p(1+)       (11b)
  168.  
  169. #12 Now consider pair correlated light of the kind used in actual
  170. experiments by John Clauser et-al from a double atomic cascade of an
  171. electron in a calcium atom.
  172.  
  173. In terms of the respective local bases of the two calcites, initial
  174. photon pair state emitted by the source is
  175.  
  176. |1,2> = [cosx/sqrt2]{|E1>|e2> + |O1>|o2>}
  177.  
  178.       + [sinx/sqrt2]{|E1>|o2> - |O1>|e2>}    (12)
  179.  
  180. The final pair state is given by
  181.  
  182. |1,2>' = BHMP|1,2>
  183.  
  184. = [cosx/sqrt2]{-e^iphi(1)R|1+>|e2> + T|1+>|o2>}
  185.  
  186. + [sinx/sqrt2]{-e^iphi(1)R|1+>|o2> - T|1+>|e2>}
  187.  
  188. + [cosx/sqrt2]{-e^iphi(1)T|1->|e2> + R|1->|o2>}
  189.  
  190. + [sinx/sqrt2]{-e^iphi(1)T|1->|o2> - R|1->|e2>}
  191.  
  192. = [cosx/sqrt2]{-e^iphi(1)R|e2> + T|o2>}|1+>
  193.  
  194. + [sinx/sqrt2]{-e^iphi(1)R|o2> - T|e2>}|1+>
  195.  
  196. + [cosx/sqrt2]{-e^iphi(1)T|e2> + R|o2>}|1->
  197.  
  198. + [sinx/sqrt2]{-e^iphi(1)T|o2> - R|e2>}|1->
  199.  
  200. = {-e^iphi(1)[cosx/sqrt2]R - [sinx/sqrt2]T}|e2>|1+>
  201.  
  202. + {[cosx/sqrt2]T - [sinx/sqrt2]e^iphi(1)R}|o2>|1+>
  203.  
  204. + {-e^iphi(1)[cosx/sqrt2]T - R[sinx/sqrt2]}|e2>|1->
  205.  
  206. + {[cosx/sqrt2]R -e^iphi(1)[sinx/sqrt2]T|}|o2>}|1->   (13)
  207.  
  208. Conservation of probability in the final pair state requires (in analogy
  209. to eq.(10) above for ordinary uncorrelated light) that the sum of the
  210. squared moduli of the pair basis add to unity. Thus,
  211.  
  212.  
  213.   |-e^iphi(1)[cosx/sqrt2]R - [sinx/sqrt2]T|^2
  214.  
  215. + |[cosx/sqrt2]T - [sinx/sqrt2]e^iphi(1)R|^2
  216.  
  217. + |-e^iphi(1)[cosx/sqrt2]T - R[sinx/sqrt2]|^2
  218.  
  219. + |[cosx/sqrt2]R -e^iphi(1)[sinx/sqrt2]T||^2 = 1       (14a)
  220.  
  221.  
  222.   2[(cosx)^2/2]|R|^2 + [(sinx)^2/2]|T|^2
  223.  
  224. + 2[(cosx)^2/2]|T|^2 + [(sinx)^2/2]|R|^2
  225.  
  226. + 2sinxcosx|R||T|cos(phi+b)/2 - 2sinxcosx|R||T|cos(phi+b)/2
  227.  
  228. + 2sinxcosx|R||T|cos(phi-b)/2 - 2sinxcosx|R||T|cos(phi-b)/2  = 1
  229.  
  230. (14b)
  231.  
  232. But this is an identity because
  233.  
  234. 2[(cosx)^2/2]|R|^2 + [(sinx)^2/2]|T|^2
  235.  
  236. + 2[(cosx)^2/2]|T|^2 + [(sinx)^2/2]|R|^2 = 1        (14c)
  237.  
  238. Therefore, in the case of pair correlated light the transformation is
  239. unitary at the pair level automatically for any value of the beam
  240. splitter net reflection phase shift b. It is not forced to be 90 degrees
  241. as it is in the case of uncorrelated light. There is no apriori reason
  242. to suppose that the reflection phase shift b of the beam recombiner must
  243. be independent of the nature of the input state. Indeed, one can imagine
  244. designing a beam recombiner with paths of different optical length in
  245. the multiple reflections inside the glass plate. The effective shift
  246. would not generally be 90 degrees.
  247.  
  248. #13 Aephraim Steinberg's objection is that cosb = 90 degrees because
  249. that is what it is for uncorrelated light in the absence of absorption.
  250. Absorption will shift b away from 90 degrees in order to conserve energy
  251. (e.g., eqs. 10 above). If, in fact, cosb is zero then there will be no
  252. communication on the connection by this method. My point is that energy
  253. conservation and probability conservation do not require cosb to be zero
  254. for pair correlated light. In fact, to get cosb = 0 even for ordianry
  255. light we also need time-reversal symmetry (e.g., no irreversible
  256. absorption).
  257.  
  258.  
  259. #14 The receiver counter responses are:
  260.  
  261. p(2+) = |<e2 1+|1,2>'|^2 + |<e2 1-|1,2>'|^2
  262.  
  263. = {1 + |T||R|sin2xcos[phi(1)]cos(b)}/2
  264.  
  265. p(2-) = |<e2 1+|1,2>'|^2 + |<e2 1-|1,2>'|^2
  266.  
  267. = {1 - |T||R|sin2xcos[phi(1)]cos(b)}/2
  268.  
  269. p(2+) + p(2-) = 1
  270.  
  271.  
  272. The transmitter counter responses are
  273.  
  274. p(1+) = |<e2 1+|1,2>'|^2 + |<o2 1+|1,2>'|^2 = 1/2
  275.  
  276. similarly p(1-) = 1/2. Note that the phi dependence has disappeared from
  277. the transmitter for pair correlated light.  It has "teleported" over to
  278. the receiver provided that cosb is not zero. The quantum spin connection
  279. signal is phase (phi) information. If we also vary x we get parity
  280. violation.
  281.