[논문 리뷰] Emergence of Classical Objectivity on a Quantum Darwinism Simulator

Ming-Cheng Chen, Han-Seng Zhong외 7명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 22.

Quantum Mechanics and Applications인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 6광자 양자 시뮬레이터를 사용하여 양자 다윈주의 메커니즘을 통해 양자 시스템에서 고전적 객관성이 어떻게 나타나는지를 실험적으로 입증한다. 환경의 광자를 양자 시스템에 산산이 튕기고 그들의 중복성을 측정함으로써 연구자들은 양자 상관관계의 억제와 고전적 정보의 확산을 관측하였으며, 이는 환경가 시스템 상태에 대한 객관적이고 공유 가능한 지식을 가능하게 하는 통신 채널으로 기능한다는 것을 확인한다.

ABSTRACT

Quantum-to-classical transition is a fundamental open question in physics frontier. Quantum decoherence theory points out that the inevitable interaction with environment is a sink carrying away quantum coherence, which is responsible for the suppression of quantum superposition in open quantum system. Recently, quantum Darwinism theory further extends the role of environment, serving as communication channel, to explain the classical objectivity emerging in quantum measurement process. Here, we used a six-photon quantum simulator to investigate classical and quantum information proliferation in quantum Darwinism process. In the simulation, many environmental photons are scattered from an observed quantum system and they are collected and used to infer the system's state. We observed redundancy of system's classical information and suppression of quantum correlation in the fragments of environmental photons. Our results experimentally show that the classical objectivity of quantum system can be established through quantum Darwinism mechanism.

연구 동기 및 목표

• 환경 상호작용을 통해 양자 시스템에서 고전적 객관성이 어떻게 유도되는지 탐구하기.
• 환경 광자를 통한 고전적 정보의 확산을 시뮬레이션하여 양자 다윈주의 이론을 검증하기.
• 환경가 양자 시스템에 대한 고전적 정보를 통신 채널로 기능함을 실험적으로 입증하기.
• 양자 상관관계의 억제가 양자 분해의 징후이자 객관적 지식의 증거로 관찰되는지 확인하기.

제안 방법

• 다수의 광자를 포함한 환경과 상호작용하는 양자 시스템을 모델링하기 위해 6광자 양자 시뮬레이터를 구축하였다.
• 환경 광자를 중심 양자 시스템에 산산이 튕기고 측정하기 위해 수집하였다.
• 환경 조각에 포함된 정보를 이용해 양자 상태 단층촬영을 통해 시스템 상태를 추론하였다.
• 환경 조각 간의 고전적 정보 중복성을 정량화하여 객관성의 정도를 평가하였다.
• 환경 조각 간의 양자 상관관계를 측정하여 양자 위상의 억제 정도를 평가하였다.
• 실험은 고전적 정보가 환경 얽힘을 통해 중복되고 널리 접근 가능해지는 것을 예측한 바를 테스트하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 환경의 중복성에 의해 고전적 객관성이 양자 상호작용을 통해 유도될 수 있는가?
• RQ2 환경는 시스템에 대한 고전적 정보를 증폭시키는 동안 양자 상관관계를 어떻게 억제하는가?
• RQ3 양자 시스템에 대한 고전적 정보가 환경 조각에 얼마나 중복적으로 코딩되는가?
• RQ4 양자 다윈주의 메커니즘이 다수의 관측자 간에 시스템 상태에 대한 객관적이고 공유 가능한 지식을 이끌어내는가?
• RQ5 통제된 광학적 설정에서 정보 중복성과 양자 분해 사이의 정량적 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 환경는 다수의 조각을 통해 양자 시스템에 대한 고전적 정보를 중복적으로 성공적으로 전달하였다.
• 환경 광자 간의 고전적 정보 중복성이 실험적으로 관측되어 양자 다윈주의의 핵심 예측을 지지하였다.
• 환경 조각 간의 양자 상관관계가 현저히 억제되어 양자 위상의 손실을 나타내었다.
• 환경 상태의 양자 상태 단층촬영을 통해 고전적 정보의 확산이 확인되었다.
• 결과는 환경가 시스템 상태에 대한 객관적이고 공유 가능한 지식을 가능하게 하는 통신 채널로 기능한다는 것을 보여주었다.
• 실험은 광학 시스템에서 양자 다윈주의를 통해 고전적 객관성이 어떻게 유도되는지 직접적인 실험적 증거를 제공한다.