[논문 리뷰] Decoherence allows quantum theory to describe the use of itself

A. Relaño|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 16.

Quantum Mechanics and Applications참고 문헌 4인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 프라우히거와 레너가 제기한 양자 이론의 역설을 환경에 의해 유도되는 초선형 규칙을 통한 디코herence를 통해 해결한다. 이는 측정하는 관측자가 양자 시스템을 측정할 때 상충되는 결론을 내리지 못하게 한다. 측정를 환경 상호작용에 의해 안정화된 상관관계로 모델링함으로써, 모든 관측자가 일관된 결론에 도달함을 증명한다. 이는 양자 이론의 자기 일관성을 복원한다.

ABSTRACT

We show that the quantum description of measurement based on decoherence fixes the bug in quantum theory discussed in [D. Frauchiger and R. Renner, {\em Quantum theory cannot consistently describe the use of itself}, Nat. Comm. {\bf 9}, 3711 (2018)]. Assuming that the outcome of a measurement is determined by environment-induced superselection rules, we prove that different agents acting on a particular system always reach the same conclusions about its actual state.

연구 동기 및 목표

• 프라우히거와 레너(2018)가 제기한 양자 이론의 비일관성 문제를 다루며, 동일한 양자 상태에서 관측자들이 상반된 결론을 이끌어내는 것을 설명한다.
• 측정 과정에서 환경의 디코herence를 고려하지 않은 데 기인한 모순의 근본 원인을 규명한다.
• 클래식적인 결과는 환경과의 상호작용 이후에만 나타나며, 기저의 모호함을 제거하고 일관성을 확보함을 보여준다.
• 디코herence가 측정 모델에 적절히 통합될 경우, 양자 이론이 자신의 사용을 일관되게 묘사할 수 있음을 확립한다.
• 측정를 환경 상호작용에 의해 유도되는 안정된 상관관계로 이해할 경우, 상반된 결론은 사라지며, 이는 즉각적인 붕괴가 아니라는 것을 보여준다.

제안 방법

• 측정를 시스템, 기구, 환경 간의 유니터리 상관관계로 모델링하여 조기 붕괴 가정을 피한다.
• Zurek(1981, 2003)의 환경에 의해 유도되는 초선형 규칙을 적용하여 디코herence에 의해 나타나는 선호되는 포인터 상태를 식별한다.
• 기본 기저의 모호함을 드러내기 위해 초기 얽힌 상태(|init⟩)를 여러 정규직교 기저로 재표현한다.
• 환경 상호작용의 두 가지 별개의 시나리오를 도입한다: 하나는 |head⟩|↓⟩ 및 |tail⟩|→⟩(식 32)를 유도하고, 다른 하나는 |head⟩|↓⟩, |tail⟩|↓⟩, 및 |tail⟩|↑⟩(식 33)을 유도한다.
• 두 환경 상호작용 모델 하에서 각 결과의 확률을 보른 규칙을 사용해 계산한다.
• 관측자 F̄는 추가 측정이 없이 두 환경 시나리오를 구분할 수 없으며, 이는 게단스체익스퍼리멘트의 가정과 충돌한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 양자역학 내에서 프라우히거-렌너 게단스체익스퍼리멘트에서 유도된 상반된 결론을 해결할 수 있는가?
• RQ2 환경의 디코herence는 측정 결과를 안정화하고 기저의 모호함을 제거하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 어떤 조건에서 양자 시스템을 측정하는 관측자들이 시스템 상태에 대해 일관된 결론에 도달하는가?
• RQ4 측정에서의 클래식적 결과 가정은 전체 시스템의 유니터리 진화와 일관된가?
• RQ5 디코herence가 적절히 고려될 경우, 양자 이론은 다중 관측자 양자 측정에서 자신의 사용을 일관되게 묘사할 수 있는가?

주요 결과

• 환경에 의해 유도되는 초선형 규칙을 통해 디코herence를 적절히 고려할 경우, 프라우히거-렌너 게단스체익스퍼리멘트에서 발생하는 상반된 결론은 사라진다.
• 관측자 F̄는 두 환경 상호작용 모델(Eq. 32 및 Eq. 33)이 모두 그녀의 측정 결과와 일치하므로 스핀 S의 진짜 상태를 확실히 알 수 없다.
• 시스템의 상태는 환경과의 상호작용 이후에야 클래식한 혼합 상태가 되며, 확률은 |head⟩|↓⟩에 대해 p=1/3, |tail⟩|→⟩에 대해 p=2/3로 나타나, 기저의 모호함이 해결된다.
• 환경과의 상호작용은 유일한 포인터 상태를 선택하여 결과의 모호함을 제거하고 관측자 간의 일관성을 확보한다.
• 두 환경 상호작용 모델을 구분하기 위한 추가 측정은 게단스체익스퍼리멘트의 가정과 충돌하므로, 이는 모순을 무효화한다.
• 분석 결과, 모든 관측자의 결론은 공동 결과 |ok⟩_L 및 |ok⟩_L̄와 호환되며, 양자 이론의 자기 묘술에서의 일관성이 확인된다.