[논문 리뷰] Information and fundamental elements of the structure of quantum theory

Časlav Brukner, Anton Zeilinger|ArXiv.org|2002. 12. 13.

Scientific Research and Philosophical Inquiry참고 문헌 2인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 물리적 서술에서 정보의 기본적 역할로부터 양자 이론이 자연스럽게 유도된다고 제안한다. 양자 상태를 제한된 정보의 표현으로 간주함으로써, 각 기본 시스템에 상호 배타적인 명제(기본 대안)의 집합을 연결함으로써, 정보 이론적 불변성에 기반해 보편적인 양자 특성인 보완성, 얽힘, 그리고 불가분한 랜덤성의 기원을 도출한다. 이는 최소한의 연속성 조건에서 3차원 정보 공간이 도출되는 바탕이 되는, 정보의 초보적 이론으로서의 양자역학을 보여준다.

ABSTRACT

Niels Bohr wrote: "There is no quantum world. There is only an abstract quantum physical description. It is wrong to think that the task of physics is to find out how Nature is. Physics concerns what we can say about Nature." In an analogous way, von Weizsaecker suggested that the notion of the elementary alternative, the "Ur", should play a pivotal role when constructing physics. Both approaches suggest that the concept of information should play an essential role in the foundations of any scientific description of Nature. We show that if, in our description of Nature, we use one definite proposition per elementary constituent of Nature, some of the essential characteristics of quantum physics, such as the irreducible randomness of individual events, quantum complementary and quantum entanglement, arise in a natural way. Then quantum physics is an elementary theory of information.

연구 동기 및 목표

• 양자 기초 이론에서 정보를 주요 개념으로 설정하여, 물리적 서술의 기본 요소로 성질을 대체하기.
• 클래식 지식론적 구조와 양자 연속성 간의 갈등을 확정된 진리값 대신 정보 측정치를 사용함으로써 해결하기.
• 비가역적 랜덤성, 보완성, 얽힘이 기본 시스템의 정보의 유한성에서 자연스럽게 유도됨을 보여주기.
• 물리적 공간의 3차원성을, 기본 시스템에 대해 질문할 수 있는 상호 배타적인 질문의 최소 수(3개)의 결과로 설명하기.
• 다른 측정 기저 간의 변환에서 총 정보량이 변하지 않는다는 원리에 기반해, 양자 이론의 개념적 기초를 제공하기.

제안 방법

• 클래식 지식론에서 유래한, 각 명제에 진리값이 부여된 완전한 명제 목록을 통해 물리 시스템을 표현하기.
• 코헨-스피커 정리와 벨 정리가 요구하는 바로, 명제들이 동시에 확정된 진리값을 가질 수 없는 경우를 설명하기 위해 정보 측정치를 도입하기.
• 보완적 기저 간의 유니터리 변환에서 총 정보량이 불변함을 정의함으로써 상호주관적 합의를 보장하기.
• 기본 시스템에 대해 상호 배타적인 질문의 최소 수(3개)를 사용해 정보 공간의 3차원성을 도출하기.
• 개별 사건에서의 랜덤성은 은닉 변수가 아니라 유한한 정보의 결과이므로, 비결정론적 불확실성의 원인을 설명하기.
• 3차원 공간에서의 회전군과 두 수준의 양자 시스템(큐비트)에 작용하는 유니터리 군 사이의 동형성을 활용해, 세계의 공간 차원성을 정당화하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 물리적 서술에서 정보의 기본적 역할로부터 양자 이론을 어떻게 도출할 수 있는가?
• RQ2 은닉 변수가 존재하지 않는다면, 왜 양자 시스템은 보완성과 비가역적 랜덤성을 보이는가?
• RQ3 기초적인 관점에서 물리적 공간의 3차원성은 무엇으로 설명될 수 있는가?
• RQ4 다른 측정 맥락 간에 양자 시스템의 총 정보량이 어떻게 불변성을 유지하는가?
• RQ5 성질이 내재된 것이 아니라 측정에 의해 나타나는 경우, 양자 상태의 지식론적 지위는 무엇인가?

주요 결과

• 양자역학은 총 정보량이 측정 맥락의 변화에 관계없이 불변함을 전제로 하는, 정보의 초보적 이론으로 이해될 수 있다.
• 개별 양자 사건의 비가역적 랜덤성은 정보의 유한성에서 유래하므로, 시스템의 정보 용량을 초월하지 않는 한 결정론적 설명은 불가능하다.
• 한 시스템에 대한 명제들이 동시에 확정된 진리값을 가질 수 없지만 그 정보량은 유한하고 불변함으로써 보완성이 자연스럽게 유도된다.
• 공간의 3차원성은 기본 시스템에 대해 질문할 수 있는 상호 배타적인 질문의 최소 수(3개)의 결과이다.
• 보완적 기저 간의 유니터리 변환에서 총 정보량의 불변성은 상호주관적 합의를 보장하며 객관적인 물리적 서술의 기초를 제공한다.
• 얽힘과 비국소성과 같은 양자역학의 구조는 기본적으로 결정론적 메커니즘보다는 정보 이론적 일관성의 제약에서 유도된다.