[論文レビュー] A Very Common Fallacy in Quantum Mechanics: Superposition, Delayed Choice, Quantum Erasers, Retrocausality, and All That

David Ellerman|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2011

Quantum Mechanics and Applications参考文献 9被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、測定装置によって生成されたもつれ状態の重ね合わせが、誤って崩壊状態とみなされる『分離の誤謬』——量子力学における広範な誤解——を特定し是正する。重ね合わせが実際に検出されるまで持続することを明確にすることで、遅延選択および量子消去実験が逆行因果性を示すものではないことが示され、『どちらの道を通過したか』の情報と干渉パターンに関する長年の誤解が解消される。

ABSTRACT

There is a very common fallacy, here called the separation fallacy, that is involved in the interpretation of quantum experiments involving a certain type of separation such as the: double-slit experiments, which-way interferometer experiments, polarization analyzer experiments, Stern-Gerlach experiments, and quantum eraser experiments. It is the separation fallacy that leads not only to flawed textbook accounts of these experiments but to flawed inferences about retrocausality in the context of "delayed choice" versions of separation experiments.

研究の動機と目的

• 『分離の誤謬』——粒子が分離装置（例：スリット、ビームスプリッタ）で明確な状態に崩壊すると誤って信じる誤解——を特定し是正すること。
• 粒子が特定の経路または状態で検出されたとすると、それが以前にその経路を選んだと解釈する広く普及した見解に挑戦すること。これは逆行因果性に関する誤った推論を引き起こす。
• 量子消去実験が『過去に情報が消去された』と解釈されるのではなく、もともと存在する干渉パターンのうち、統合された非干渉状態から選択されることを明確にすること。
• 遅延選択および遅延消去の設定が逆行因果効果を含まないことを示し、代わりに一致計数による干渉パターンの後選択が行われることを示すこと。
• ユニタリな時間発展と文脈性に基づく一貫した量子実験の解釈を提供し、逆行因果性に関する形而上学的主張を避けること。

提案手法

• 標準的な量子実験（二重スリット、マハーズ・ゼイナー、シュテルン＝ゲルラッハ、量子消去）を分析し、もつれ状態の重ね合わせを崩壊固有状態と誤認する『分離の誤謬』を暴露する。
• 状態ベクトル形式を用いて、粒子が分離装置を通過した後も、測定されるまで重ね合わせ（例：|スリット1⟩ + |スリット2⟩）のままであることを示す。
• 文脈性の概念を適用する：検出器の配置がどの固有状態が登録可能かを決定するが、崩壊がいつ発生するかまでは決定しない。
• 量子消去実験を、非干渉状態に統合された二つの補完的干渉パターン（縞と反縞）から後選択を行うものとして再解釈する。これは『情報の消去』ではなく、選択の問題である。
• 遅延選択および遅延消去実験が、逆行的影響ではなく一致計数による相関を用いることで、干渉パターンを後選択することを示す。
• 粒子がスリットを通過した後に偏光子を挿入することは、重ね合わせから干渉パターンの一つを選択するものであり、動作の逆行的変化を引き起こすものではない。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 教科書的解釈ではなぜ、量子消去実験および遅延選択実験が誤って逆行因果性を示唆するのか？
• RQ2 検出器の配置がどの固有状態が登録可能かを決定する役割を果たすが、なぜそれが以前の崩壊を示唆するわけではないのか？
• RQ3 逆行因果効果がないのにもかかわらず、『どちらの道を通過したか』の情報が『消去された』後に干渉パターンが再び現れるのはなぜか？
• RQ4 状態の時間発展と後選択の観点から、遅延選択量子消去実験の正しい解釈は何か？
• RQ5 粒子が『片方のスリットを通った』あるいは『片方の経路を取った』という考え方が、なぜ量子重ね合わせの誤解を生むのか？

主な発見

• もつれ状態の重ね合わせを崩壊状態と誤認する『分離の誤謬』が、量子実験における逆行因果性に関する誤った推論を引き起こす。
• 二重スリット実験において、スリットの後ろに検出器を設置しても、粒子がどのスリットを通ったかを決定するのではなく、測定時に発展した重ね合わせ状態の一つを登録するにとどまる。
• 量子消去実験で干渉パターンが再び現れるのは、『どちらの道を通過したかの情報が消去された』からではなく、偏光子が統合された非干渉状態から二つの補完的干渉パターンのうち一つを選択するからである。
• 遅延選択および遅延消去の設定では、最終検出器の設定が以前の出来事に逆行的に影響しない。代わりに、事前に存在する重ね合わせからの干渉パターンの後選択が行われる。
• 遅延消去実験におけるもつれ『どちらの道』光子は最小限の役割を果たす。主なメカニズムは一致計数による後選択であり、因果的影響ではない。
• 本論文は、これらの実験で逆行因果性は発生せず、量子消去の本質は、最大の縞の可視度を持つサブアンサンブルの後選択であると結論づける。