[논문 리뷰] Observing The Observer

Vlatko Vedral|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 15.

Quantum Mechanics and Applications참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 Wigner의 친구와 슈뢰딩거의 고양이를 확장한 양자 사고 실험을 제안하여, 양자 중첩이 거대 관측자에게도 적용되는지 테스트한다. 단위성 진동에 인간 관측자가 포함된 상태를 역행시킴으로써, 시스템이 초기 상태로 복원된 후에도 기록(예: 필기된 메모)이 유지됨을 보여주며, 파동함수 붕괴가 발생하지 않는 한 관측 결과는 가역적임을 입증한다. 이는 양자역학에서 관측의 비가역성 개념에 도전한다.

ABSTRACT

I present a simple variant of the Schrödinger cat meets Wigner's friend thought experiment. If you are shocked by it, you have not understood quantum physics (no words are missing from this sentence).

연구 동기 및 목표

• 양자역학이 거대 관측자(예: 인간)에게까지 일반적으로 적용되는지 조사하기 위해.
• 관측 결과가 본질적으로 비가역적이지 않다는 가설을 시험하여, 파동함수 붕괴 개념에 도전하기 위해.
• 관측 기록(예: 필기된 메모)이 관측자의 기억이 지워진 상태에서도 단위성 반전 후에도 유지될 수 있음을 입증하기 위해.
• 해석에 대한 선호도가 아닌 경험적 가역성에 기반해 양자역학의 해석을 구분할 수 있는 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 환경으로부터 격리된 시스템(물리학자 앨리스, 인간 관측자(밥), 방사성 원자, 고양이, 독성 물질 포함)에서 단위성 진동을 수행하는 사고 실험을 구성하기 위해.
• 시스템의 상태를 두 가지 분지의 중첩으로 모델링: 원자가 붕괴된 경우(고양이 사망)와 붕괴되지 않은 경우로, 각각에서 밥은 명확한 결과를 관측한다.
• 앨리스는 문 아래로 메모를 보내 밥이 명확한 상태를 보는지 묻고, 밥의 '예'라는 대답은 전역 양자 상태의 일부가 된다.
• 모든 이전 변환—백의 관측까지—을 역행시키는 단위성 반전 연산을 적용하면서도, 필기된 메모는 고전적 기록으로 유지된다.
• 반전 이후에도 메모가 그대로 유지된다는 점을 증거로 삼아, 밥의 관측이 붕괴가 아니라 얽힘 과정임을 입증한다.
• 유사한 가역성이 실험적으로 입증된 광학적 및 원자 시스템으로 확장하여, 광자 반사와 거울의 반동을 고양이의 운명과 밥의 관측의 유사물로 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인간 관측자의 관측이 파동함수 붕괴 없이 단위성으로 뒤집힐 수 있는가?
• RQ2 단위성 반전 후에도 고전적 기록(예: 필기된 메모)이 유지된다면, 이는 파동함수 붕괴가 발생하지 않았음을 의미하는가?
• RQ3 외부 관측자에게는 양자 중첩 상태에 있는 거대 관측자가, 여전히 명확한 관측 결과를 경험할 수 있는가?
• RQ4 관측 과정의 가역성은 붕괴를 가정하는 해석과 그렇지 않은 해석을 구분하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ5 진정으로 비가역적 붕괴와 디코herence로 인해 비가역적으로 보이는 단위성 진동을 구별할 수 있는 실험적 징후는 무엇인가?

주요 결과

• 모든 다른 양자 상태가 초기 중첩 상태로 복원된 후에도, '예, 고양이의 명확한 상태를 봤습니다'라는 필기 메모가 유지된다.
• 메모의 지속성은 밥의 관측이 붕괴가 아니라 얽힘 과정이었음을 입증하며, 모든 단위성 연산이 반전된 후에도 기록이 그대로 남아 있음을 보여준다.
• 파동함수 붕괴가 실제로 존재하고 비가역적이라면, 반전 과정이 실패할 것이며, 원자가 붕괴된 확률이 50%인 혼합 상태로 끝날 것이다.
• 앨리스의 관점에서 볼 때, 밥은 죽은 고양이 또는 살아있는 고양이를 관측하는 중첩 상태에 있으며, 밥의 관점에서는 명확한 결과를 경험한다.
• 양자 혼합 상태와 가역성이 이미 실험적으로 입증된 광학적 또는 원자 시스템을 사용해 이 사고 실험은 경험적으로 검증 가능하다.
• 결과는 양자역학이 거대 체계, 특히 관측자에게까지 적용된다는 아이디어를 지지하며, 따라서 Many Worlds 해석과도 호환된다.