[論文レビュー] Comment on: Observation of a quantum Cheshire Cat in a matter-wave interferometer experiment

W. M. Stuckey, Michael Silberstein+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2014

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、2014年の中性子干渉実験が量子チシャーキャットを証拠とする解釈に挑戦し、中性子のスピンがその粒子から空間的に分離しているように見える現象を主張する。実験で観測された弱値は、線形および二次磁場相互作用の組み合わせによって生じており、二次的成分が量子チシャーキャットの推論を無効にしている。弱値のみでは、相互作用の強さを考慮しない限り、本体的主張を正当化できないことが示されている。

ABSTRACT

In a July 2014 Nature Communications paper, Denkmayr et al. claim to have instantiated so-called quantum Cheshire Cat experiment using neutron interferometry. Crucial to this claim are weak values which must imply quantum Cheshire Cat interpretation, i.e., the neutron and its spin are spatially separated in their experiment. While they measured correct weak values for quantum Cheshire Cat interpretation, corresponding implications do not obtain because, as we show, those weak values were measured with both a quadratic and a linear magnetic field Bz interaction. We show explicitly how those weak values imply quantum Cheshire Cat if Bz interaction is linear and then we show how quadratic Bz interaction destroys quantum Cheshire Cat implications of those weak values. Since both linear and quadratic Bz interactions contribute equally to neutron intensity in this experiment, deviant weak value implications are unavoidable. Because weak values were used successfully to compute neutron intensities for weak Bz in this experiment, it is clearly case that one cannot make ontological inferences from weak values without taking into account corresponding interaction strength.

研究の動機と目的

• 2014年のDenkmayrらの中性子干渉実験が、量子チシャーキャットの証拠であると解釈されることを挑戦すること。
• 弱値の測定にあたって、線形および二次磁場相互作用（Bz）の役割を分析すること。
• 二次的Bz相互作用の存在が、測定された弱値の量子チシャーキャット的含意を破壊することを示すこと。
• 弱値が相互作用ハミルトニアンの性質と強度を考慮しない限り、粒子の性質に関する本体的主張を立てることはできないと主張すること。
• 弱値が空間的性質の分離といった非古典的解釈を支持できる条件と、そうでない条件を明確にすること。

提案手法

• 中性子干渉装置のハミルトニアンを分析し、特に磁場Bzにおける線形および二次項への分解を行う。
• 線形および二次的Bz相互作用のそれぞれについて、中性子のスピンおよび位置の弱値を導出する。
• 純粋に線形Bz相互作用の場合（量子チシャーキャットを支持する）と、実際の状況（線形および二次項が等しく寄与する）との弱値の含意を比較する。
• 実験で中性子強度が弱値によって正しく予測されることを根拠に、相互作用強度が無視できないこと、したがって考慮すべきであると結論づける。
• 標準的な弱測定形式を適用し、二次的相互作用項が誤った寄与をもたらし、空間的分離解釈を無効にすることを示す。
• 線形および二次的相互作用の共存が、弱値の解釈を曖昧にし、明確な本体的結論を妨げることを確立する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 線形および二次的磁場相互作用が共存する状況で、Denkmayr らの実験で報告された弱値を、量子チシャーキャットの証拠と解釈できるか？
• RQ2 二次的Bz相互作用項の導入は、中性子干渉における弱値の物理的解釈にどのように影響するか？
• RQ3 弱値が空間的性質分離に関する本体的主張を信頼性を持って支持する条件は何か？
• RQ4 同じ弱値が中性子強度を正しく予測するにもかかわらず、二次的相互作用が存在する場合にはなぜ量子チシャーキャットの解釈を支持できないのか？
• RQ5 相互作用ハミルトニアンの構造を完全に把握しない限り、弱値が非古典的粒子行動をどの程度まで推論に用いることができるか？

主な発見

• Denkmayr らの実験で測定された弱値は、磁場Bzの線形および二次的成分の両方に影響を受ける。
• 線形Bz相互作用のみを考慮すると、弱値は量子チシャーキャットを示唆し、スピンと粒子が空間的に分離している。
• しかし、同程度に寄与する二次的Bz相互作用項の存在が、この解釈を無効にしている。なぜなら、非物理的な寄与が弱値に加わり、空間的分離の推論を破壊するからである。
• 実験のニュートロン強度測定値は弱値によって正確に再現可能であり、その予測力は確認されるが、これは性質の分離に関する本体的主張を正当化するものではない。
• 本研究は、弱値が相互作用ハミルトニアンの構造を明示的に考慮しない限り、量子チシャーキャット効果の存在を推論できないと結論づける。
• よって、完全な相互作用を考慮した場合、この実験で量子チシャーキャットを観測したという主張は、データによって支持されていない。