[論文レビュー] Quantum information and the arrow of time

Andrea Di Biagio, Pietro Donà+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2020

Quantum Mechanics and Applications被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、量子情報理論における時間非対称な記述が、根本的な量子力学的ダイナミクスに起因するのではなく、エージェントの熱力学的時間の矢に起因することを示唆することで、量子的時間の矢の概念に挑戦する。量子力学自体は時間反転対称性を示しており、時間の方向性は量子理論の固有の性質ではなく、エージェント自身の熱力学的非対称性に起因する。

ABSTRACT

It is often stated that quantum theory yields probabilities for outcomes of $future$ measurements. This language reinforces a common misconception: that quantum dynamics is time oriented. In fact, the past of quanta is as undetermined as their future given the present. Here we address the apparent tension between the time-reversal invariance of elementary quantum physics and the intrinsic time orientation of the formulations of quantum theory used in the quantum information and quantum foundations communities. We show that the latter does not stem from a quantum arrow of time, but from the agent's own thermodynamic arrow of time.

研究の動機と目的

• 量子理論が本質的に時間的指向性を持つダイナミクスを示すという誤解を解き明かす。
• 量子情報および基礎理論フレームワークにおける時間非対称性の原因を調査する。
• 量子測定における時間の向きが、量子力学自体ではなくエージェントの熱力学的時間の矢に起因することを示す。
• 量子理論の時間反転対称性と、量子基礎分野で用いられる時間非対称な記述との調和を図る。

提案手法

• 測定結果が量子理論において果たす役割を分析し、現在の状態が与えられたとき、過去と未来の両方が同様に不確実であることに注目する。
• 時間反転対称性を保つ標準的な量子形式主義と、量子情報理論で用いられる時間非対称な言語を対比する。
• 量子測定における時間の向きの源として、エージェントの熱力学的時間の矢を特定する。
• 概念的分析と基礎的推論を用いて、時間非対称性が量子ダイナミクスに埋め込まれているのではなく、エージェントの認識的および熱力学的文脈に起因することを示す。
• 状態準備や測定といった量子情報プロトコルが、理論自体が対称であるにもかかわらず、時間非対称な言葉で記述されることを検討する。
• エージェントの記憶と情報処理が熱力学的に不可逆的であるため、観測される時間の向きが強制されると主張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子力学が時間反転対称であるのにもかかわらず、なぜ量子情報フレームワークでは時間非対称な言語が使われるのか？
• RQ2 量子測定および状態準備における時間の向きの起源は何か？
• RQ3 量子理論における時間反転対称性と、量子基礎分野における顕著な時間の矢をどのように調和させられるか？
• RQ4 量子情報理論における時間非対称性は、量子力学の性質それ自体に起因するのか、それともエージェントの熱力学的文脈に起因するのか？
• RQ5 エージェントの熱力学的時間の矢が、量子実験で観測される時間の向きをどの程度説明できるのか？

主な発見

• 量子理論自体は本質的に時間の矢を持たない。現在の状態が与えられたとき、過去も未来も同様に不確実である。
• 量子情報理論の時間非対称性は、量子ダイナミクスに起因するのではなく、エージェントの熱力学的時間の矢に起因する。
• エージェントの記憶と情報処理は熱的に不可逆的であり、これが量子測定における観測される時間の向きを強制する。
• 量子理論の標準的言語（将来の測定に注目する）は、量子力学そのものではなく、熱力学に基づく認識的バイアスを反映している。
• 量子理論における時間反転対称性は保たれ、顕著な時間の向きは量子ダイナミクスの根本的特徴ではなく、エージェントの熱力学的文脈に起因する。
• この論文は、時間対称な量子力学と時間非対称な量子情報理論の間の矛盾を、非対称性の源が熱力学的であると特定することで解消する。