[論文レビュー] Emergence of the Classical from within the Quantum Universe

Wojciech H. Zurek|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2021

Quantum Mechanics and Applications参考文献 21被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、量子デコherence、einselection、量子ダーウィニズムを通じて、古典的現実が量子力学から生じることを提案している。環境による監視が、系の状態に関する情報を環境に複製することで、観測者に依存しない客観的知識が可能になる。主な貢献は、測定崩壊に依存するのではなく、環境における情報の多重性によって古典的世界が生じることを示したことである。これにより、量子状態は認識論的であり、客観的現実が量子の基礎から出現する。

ABSTRACT

Decoherence shows how the openness of quantum systems -- interaction with their environment -- suppresses flagrant manifestations of quantumness. Einselection accounts for the emergence of preferred quasi-classical pointer states. Quantum Darwinism goes beyond decoherence. It posits that the information acquired by the monitoring environment responsible for decoherence is disseminated, in many copies, in the environment, and thus becomes accessible to observers. This indirect nature of the acquisition of information by observers who use the environment as a communication channel is the mechanism through which objective classical reality emerges from the quantum substrate: States of the systems of interest are not subjected to direct measurements (hence, not perturbed) by the agents acquiring information about them. Thus, they can exist unaffected by the information gained by observers.

研究の動機と目的

• 測定の仮定に依存せずに、古典的現実が量子力学からどのように生じるかを説明すること。
• 古典的状態の客観性が、環境が系の状態に関する情報を複数回冗長に記録することによって生じることを示すこと。
• 波動関数の崩壊を避けるために、観測者が環境との相関を通じて間接的に量子系についての知識を得られることを示すこと。
• デコherenceと環境との相互作用によって選ばれる指針状態（pointer states）が、古典的記述の好ましい基底となることの確立。
• 「存在するもの」と「知られているもの」の区別が根本的ではないが、量子情報力学の結果として出現することの主張。

提案手法

• 環境との相互作用によって量子重ね合わせが抑制され、安定な指針状態が選ばれるメカニズムをデコherence理論を用いてモデル化すること。
• 情報理論を適用して、系に関する情報が環境にどのように多重にインプリントされるかを定量化し、量子ダーウィニズムを導出すること。
• 複数の観測者が独立して同じ情報を得られる通信チャネルとしての環境の分析。
• 縮約密度行列とその固有状態を用いて好ましい状態を特定すること。ただし、古典的性質に適しているとは限らない点に注意を払うこと。
• デコherenceと量子カオス系におけるエントロピー生成の関係を含めた分析の拡張。第二法則と接続すること。
• 思考実験と基礎的分析を用いて、量子理論の奇妙さ（重ね合わせやもつれ）は依然として残るが、情報の多重性によって古典的客観性が出現することを主張すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 直接的な測定に依存せずに、古典的世界が量子基盤からどのように生じるのか。
• RQ2 なぜ特定の量子状態（指針状態）が古典的記述に好まれるのか。
• RQ3 複数の観測者が、系を擾乱することなく、同じ情報を独立にアクセスできるメカニズムは何か。
• RQ4 環境が量子宇宙における古典的情報の通信チャネルとしてどのように機能するのか。
• RQ5 情報の多重性が、量子の基礎から客観的現実を確立する役割を果たすのか。

主な発見

• デコherenceは、系と環境との結合によって量子干渉を抑制し、古典的記述に好ましいとされる指針状態の選択をもたらす。
• 量子ダーウィニズムは、環境に系の状態に関する情報が多重に分散されることで、古典的現実の客観性を説明する。これにより、複数の観測者が同じ情報を得られる。
• 環境は通信チャネルとして機能し、観測者が系について間接的に知識を得られ、系の状態を損なわずに済む。
• 実在論的（存在するもの）と認識論的（知られているもの）の区別は根本的ではないが、系とその環境情報キャリアとの間の分離から出現する。
• デコherenceによって選ばれる指針状態は、縮約密度行列の固有状態ではないため、従来の仮定に疑問を呈し、古典的性質の基準を洗練させる。
• 本稿では、量子理論がより深い理論に置き換えられても、重ね合わせやもつれといった量子の奇妙さは、実験的現実に根ざしているため、依然として残ると主張する。