Thesis (M.S.)--Brigham Young University. Dept. of Physics and Astronomy, 2006. / Includes bibliographical references (p. 113-115).

The relative polarization of the two photons emitted when a positron annihilates at rest has been re-investigated with high precision and a different method of data analysis. An experiment using a pair of ideal polarization analyzers to measure this relative polarization would be a special case of the general class of thought experiments discussed by Einstein, Podolsky, and Rosen (EPR). EPR argued from these thought experiments that a physical system can exist in a state with definite values for two non-commuting variables. Since quantum mechanics can not describe such a state, EPR called quantum mechanics "incomplete". But EPR believed a complete theory -sometimes called a hidden variable theory- is possible. (This argument of EPR is sometimes called the Einstein-Podolsky-Rosen "paradox".) Our experimental results, together with a theorem due to Bell, provide strong evidence that a local "hidden variable" theory is not possible. The results also rule out a hypothetical modification of quantum mechanics, suggested by Bohm and Aharonov, which was motivated by the EPR thought experiments. Compton scattering was used to analyze the linear polarization. But the theorem of Bell, mentioned above, applies to relatively "ideal" polarization measurements. Therefore, it was necessary to prove the existence, and find the explicit form of the function f relating Compton and ideal linear polarization measurements. The existence of f is shown here to follow from general principles of quantum mechanics, plus parity and angular momentum conservation; the explicit form of f is deduced from the Klein-Nishina equation. Experimental evidence is cited against the argument that f may be different in a local "hidden variable" theory.

Structures that demonstrate nonclassicality are of foundational interest in quantum mechanics, and can also be seen as resources for numerous applications in quantum information processing - particularly in the Hilbert space of N qubits. The theory of entanglement, quantum contextuality, and quantum nonlocality within the N-qubit Pauli group is further developed in this thesis. The Strong Kochen-Specker theorem and the structures that prove it are introduced and explored in detail. The pattern of connections between structures that show entanglement, contextuality, and nonlocality is explained. Computational search algorithms and related tools were developed and used to perform complete searches for minimal nonclassical structures within the N-qubit Pauli group up to values of N limited by our computational resources. Our results are surveyed and prescriptions are given for using the elementary nonclassical structures we have found to construct more complex types of such structures. Families of nonclassical structures are presented for all values of N, including the most compact family of projector-based parity proofs of the Kochen-Specker theorem yet discovered in all dimensions of the form 2N, where N>=2. The applications of our results and their connection with other work is also discussed.

We analyze a coincidence Stern-Gerlach measurement often discussed in connection with the derivation and illustration of Bell's theorem. The treatment is based on our recent analysis of the original Stern-Gerlach experiment (PCCP, 14, 1677‐1684 (2012)), where it is concluded that it is necessary to include a spin relaxation process to account for the experimental observations. We consider two limiting cases of a coincidence measurement using both an analytical and a numerical description. In on limit relaxation effects are neglected. In this case the correlation between the two spins present in the initial state is conserved during the passage through the magnets. However, at exit the z coordinate along the magnetic field gradient is randomly distributed between the two extreme values. In the other limit T2 relaxation is assumed to be fast relative to the time of flight through the magnet. In this case the z coordinate takes one of two possible values as observed in the original Stern‐Gerlach experiment. Due to the presence of a relaxation process involving transfer of angular momentum between particle and magnet the initially entangled spin state changes character leading to a loss of correlation between the two spins. In the original derivations of Bell's theorem based on a coincidence Stern‐Gerlach setup one assumes both a perfect correlation between the spins and only two possible values for the z‐coordinate on exit. According to the present calculations one can satisfy either of these conditions but not both simultaneously.

This thesis investigates the violation of Bell's Inequality through the use of nonlocal measurement schemes as encapsulated in a quasi-deterministic toy model. This toy model, called the Q Box, is reminiscent of Mermin's Box in that it describes a system that appears to be deterministic yet produces the statistics of a quantum type system. [1] The workings of the Q Box are detailed both as a thought experiment and as a computer simulation. Nonlocal measurement protocols similar to those which generate a violation of Bell's Inequality in the Q Box are also applied to Mermin's Box, with comparable results. [1] N.D. Mermin, "Bringing home the atomic world: Quantum mysteries for anybody," Am. J. Phys. 49: 940-943 (1981). N. David Mermin, Am. J. Phys. 58:731-734 (1990).

La mécanique quantique prédit l'existence de corrélations entre particules distantes qui ne peuvent s'expliquer dans le cadre des théories réalistes locales. Suite au développement récent de la théorie de l'information quantique, il a été réalisé que ces corrélations non-locales ont des implications quant aux capacités de traitement de l'information des systèmes quantiques. Outre une signification physique, elles possèdent donc une signification informationnelle. Cette thèse traite de différents aspects de la non-localité liés à ces deux facettes du phénomène.<p><p>Nous commençons par un examen de la structure des corrélations locales et non-locales. Nous dérivons dans ce contexte de nouvelles inégalités de Bell, et généralisons ensuite le paradoxe de Greenberger-Horne-Zelinger à des états quantiques de dimension arbitraire et composés de plusieurs sous-systèmes. <p><p>Nous abordons par après la non-localité du point de vue de la théorie de l'information. Il est possible de concevoir des théories non-locales consistantes avec le principe de causalité mais offrant des avantages supérieurs à la mécanique quantique en terme de manipulation de l'information. Nous investiguons l'ensemble des corrélations compatibles avec de telles théories afin d'éclairer l'origine des limitations imposées par le formalisme quantique. Nous nous intéressons également à la quantité de communication classique nécessaire pour simuler les corrélations non-locales. Nous montrons que cette mesure naturelle de la non-localité est étroitement liée au degré de violations des inégalités de Bell.<p><p>Nous nous tournons ensuite vers des aspects expérimentaux. La faible efficacité des détecteurs utilisés dans les expériences de violation des inégalités de Bell reste un obstacle majeur à une démonstration convaincante de la non-localité, mais aussi à toute utilisation de la non-localité dans des protocoles d'information quantique. Nous dérivons d'une part des bornes quant à l'efficacité minimale requise pour violer les inégalités de Bell, et d'autre part des exemples de corrélations plus résistante à ces imperfections expérimentales. <p><p>Finalement, nous clôturons cette thèse en montrant comment la non-localité, principalement étudiée dans le cadre de systèmes décrits par des variables discrètes, telles que les variables de spin, peut également se manifester dans des systèmes à variables continues, telles que les variables de position et d'impulsion.<p> / Doctorat en sciences, Spécialisation physique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Dans cette thèse l’ancienne question philosophique “tout événement a-t-il une cause ?” sera examinée à la lumière de la mécanique quantique et de la théorie des probabilités. Aussi bien en physique qu’en philosophie des sciences la position orthodoxe maintient que le monde physique est indéterministe. Au niveau fondamental de la réalité physique – au niveau quantique – les événements se passeraient sans causes, mais par chance, par hasard ‘irréductible’. Le théorème physique le plus précis qui mène à cette conclusion est le théorème de Bell. Ici les prémisses de ce théorème seront réexaminées. Il sera rappelé que d’autres solutions au théorème que l’indéterminisme sont envisageables, dont certaines sont connues mais négligées, comme le ‘superdéterminisme’. Mais il sera argué que d’autres solutions compatibles avec le déterminisme existent, notamment en étudiant des systèmes physiques modèles. Une des conclusions générales de cette thèse est que l’interprétation du théorème de Bell et de la mécanique quantique dépend crucialement des prémisses philosophiques desquelles on part. Par exemple, au sein de la vision d’un Spinoza, le monde quantique peut bien être compris comme étant déterministe. Mais il est argué qu’aussi un déterminisme nettement moins radical que celui de Spinoza n’est pas éliminé par les expériences physiques. Si cela est vrai, le débat ‘déterminisme – indéterminisme’ n’est pas décidé au laboratoire : il reste philosophique et ouvert – contrairement à ce que l’on pense souvent. Dans la deuxième partie de cette thèse un modèle pour l’interprétation de la probabilité sera proposé. Une étude conceptuelle de la notion de probabilité indique que l’hypothèse du déterminisme aide à mieux comprendre ce que c’est qu’un ‘système probabiliste’. Il semble que le déterminisme peut répondre à certaines questions pour lesquelles l’indéterminisme n’a pas de réponses. Pour cette raison nous conclurons que la conjecture de Laplace – à savoir que la théorie des probabilités présuppose une réalité déterministe sous-jacente – garde toute sa légitimité. Dans cette thèse aussi bien les méthodes de la philosophie que de la physique seront utilisées. Il apparaît que les deux domaines sont ici solidement reliés, et qu’ils offrent un vaste potentiel de fertilisation croisée – donc bidirectionnelle. / In this thesis the ancient philosophical question whether ‘everything has a cause’ will be examined in the light of quantum mechanics and probability theory. In the physics and philosophy of science communities the orthodox position states that the physical world is indeterministic. On the deepest level of physical reality – the quantum level – things or events would have no causes but happen by chance, by irreducible hazard. Arguably the clearest and most convincing theorem that led to this conclusion is Bell’s theorem. Here the premises of this theorem will be re-evaluated, notably by investigating physical model systems. It will be recalled that other solutions to the theorem than indeterminism exist, some of which are known but neglected, such as ‘superdeterminism’. But it will be argued that also other solutions compatible with determinism exist. One general conclusion will be that the interpretation of Bell’s theorem and quantum mechanics hinges on the philosophical premises from which one starts. For instance, within a worldview à la Spinoza the quantum world may well be seen as deterministic. But it is argued that also much ‘softer’ determinism than Spinoza’s is not excluded by the existing experiments. If that is true the ‘determinism – indeterminism’ is not decided in the laboratory: it remains philosophical and open-ended – contrary to what is often believed. In the second part of the thesis a model for the interpretation of probability will be proposed. A conceptual study of the notion of probability indicates that the hypothesis of determinism is instrumental for understanding what ‘probabilistic systems’ are. It seems that determinism answers certain questions that cannot be answered by indeterminism. Therefore we believe there is room for the conjecture that probability theory cannot not do without a deterministic reality underneath probability – as Laplace claimed. Throughout the thesis the methods of philosophy and physics will be used. Both fields appear to be solidly intertwined here, and to offer a large potential for cross-fertilization – in both directions.

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L'objectif de ce travail de recherche est l'étude des posibilités offertes par une nouvelle approche de l'information quantique basée sur des variables quantiques continues. Lorsque ces variables continues sont portées par le champs éléctromagnétique, un grand nombre de protocoles d'information quantique peuvent être implémentés à l'aide de lasers et d'éléments d'optique linéaire standards. Cette simplicité expérimentale rend cette approche très intéressantes d'un point de vue pratique, en particulier pour le développement des futurs réseaux de communications quantiques.<p><p>Le travail peut se diviser en deux parties complémentaires. Dans la première partie, plus fondamentale, la relation complexe qui existe entre l'intrication et la nonlocalité de la mécanique quantique est étudiée sur base des variables optiques continues. Ces deux ressources étant essentielles pour l'information quantique, il est nécessaire de bien les comprendre et de bien les caractériser. Dans la seconde partie, orientée vers des applications concrètes, le problème de la correction d'erreur à variables continues est étudié. Pouvoir transmettre et manipuler l'information sans erreurs est nécessaire au bon développemnent de l'information quantique, mais, en pratique, les erreurs sont inévitables. Les codes correcteurs d'erreurs permettent de détecter et corriger ces erreures de manière efficace.<p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.