[논문 리뷰] Classical branches and entanglement structure in the wavefunction of cosmological fluctuations

Elliot Nelson|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 31.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 101인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 우주론적 변동에서 양자 파동함수의 얽힘 구조를 통해 고전적 행동이 어떻게 나타나는지 보여준다. 우주론적 역학에 의해 이끌려, 진공 상태에서 출발하여 인플레이션 기간 동안 장파장 모드가 자극되며, 이후 감속 단계 동안 중력 상호작용을 통해 짧은 파장 모드와 다수의 얽힘을 형성함으로써 고전적 기록을 생성하고, 수동으로 선택된 부분계나 관측량 없이도 선호 기저를 선택한다.

ABSTRACT

The emergence of preferred classical variables within a many-body wavefunction is encoded in its entanglement structure in the form of redundant classical information shared between many spatially local subsystems. We show how such structure can be generated via cosmological dynamics from the vacuum state of a massless field, causing the wavefunction to branch into classical field configurations on large scales. An accelerating epoch first excites the vacuum into a superposition of classical fields as well as a highly sensitive bath of squeezed super-horizon modes. During a subsequent decelerating epoch, gravitational interactions allow these modes to collect information about longer-wavelength fluctuations. This information disperses spatially, creating long-range redundant correlations in the wavefunction. The resulting classical observables, preferred basis for decoherence, and system/environment decomposition emerge from the translation invariant wavefunction and Hamiltonian, rather than being fixed by hand. We discuss the role of squeezing, the cosmological horizon scale, and phase information in the wavefunction, as well as aspects of wavefunction branching for continuous variables and in field theories.

연구 동기 및 목표

• 양자 얽힘을 이용하여, 제1원리에서 우주론적 변동에서 고전적 관측량이 어떻게 나타나는지 규명하는 것.
• 분해 이론 프레임워크에서 수동으로 선택된 부분계나 선호 기저에 의존하지 않도록 하는 것.
• 이sov형 파동함수에서 공간적 얽힘으로부터 자연스럽게 발생하는 다수의 고전적 정보가 어떻게 나타나는지 보여주는 것.
• 감속 시기 동안 장파장 모드가 짧은 파장 변동에 대한 정보를 수집하고 공간적으로 산산이 흩트리는 방식을 설명하는 것.
• 장영역 이론적 파동함수에서 압축, 위상 정보, 연속적인 분열의 역할을 명확히 하는 것.

제안 방법

• 질량이 없는 스칼라 장이 팽창하는 우주에서 Bunch-Davies 진공을 초기 상태로 사용한다.
• 인플레이션 기간 동안 선형 및 비선형 역학을 적용하여 고전적 장 구성의 초위상과 수퍼하이퍼바이저 모드의 초위상을 생성한다.
• 장파장 및 단파장 모드 간의 결합을 모델링하기 위해 삼차 상호작용(예: $\mathcal{L}_3 \sim 3\epsilon a^3 \zeta_L \dot{\zeta}^2$)을 도입한다.
• 위상 공간에서 파동함수의 진화를 슈뢰딩거 및 위그너 표현을 사용하여 분석하여 정보의 산산이 흩트림을 추적한다.
• 공간적으로 분리된 영역들 사이에 반복적인 정보 복사본이 형성되어 고전적 기록을 만들도록 분해를 모델링한다.
• 선호 기저와 시스템/환경 분해가 애초에 가정된 것이 아니라, 해밀토니안과 파동함수의 구조에서 동적으로 유도된다는 것을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기본적으로 양자적 파동함수에서 수동으로 선호되는 부분계를 가정하지 않고 고전적 관측량이 어떻게 나타나는가?
• RQ2 특히 인플레이션에서 감속으로의 전이가 고전적 상관관계를 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 장파장 및 단파장 모드 간의 중력 상호작용이 파동함수에서 다수의 정보 복사본을 어떻게 생성하는가?
• RQ4 인플레이션 기간 동안 수퍼하이퍼바이저 모드의 압축이 고전적 행동의 유도에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 파동함수의 위상 정보는 분해의 선호 기저 선택과 어떻게 관련되어 있는가?

주요 결과

• 감속 시기 동안 장거리 다수의 얽힘으로 인해 파동함수가 고전적 장 구성으로 분열한다.
• 감속 단계 동안 중력 상호작용으로 인해 장파장 모드가 공간적으로 분산된 짧은 파장 변동에 대한 정보를 수집하고 흩트린다.
• 선호 기저와 시스템/환경 분해가 애초에 가정된 것이 아니라, 이sov형 해밀토니안과 파동함수의 구조에서 동적으로 유도된다.
• 인플레이션 기간 동안 수퍼하이퍼바이저 모드의 압축은 정보가 짧은 파장 모드로 전달될 수 있도록 매우 민감한 환경을 만든다.
• 파동함수의 위상 정보는 공간적으로 분리된 영역으로 영구적으로 산산이 흩트리며, 양자 다윈주의와 객관적 고전성과 일치한다.
• 삼차 상호작용 항 $\mathcal{L}_3 \sim 3\epsilon a^3 \zeta_L \dot{\zeta}^2$ 는 장파장 및 단파장 모드 간의 결합을 위한 주요 메커니즘이며, 도함수 억제 항은 무시된다.