[논문 리뷰] Quantum field theory solves the problem of the collapse of the wave function

Alexey V. Melkikh|arXiv (Cornell University)|2013. 11. 01.

Quantum Mechanics and Applications참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 양자장론(QFT) 내에서 입자 생성 또는 파괴 과정이 양자역학에서 파동함수 붕괴를 자연스럽게 유도함을 제안한다. 이 과정은 시스템에 비선형성을 도입한다. 표준 양자역학과는 달리, QFT의 비선형 역학은 장 상호작용에 기반하여 측정 과정을 별도의 가정 없이도 자연스럽게 파동함수 붕괴를 설명할 수 있으며, 이는 양자이론에서 오랫동안 남아있던 기초적 문제를 해결한다.

ABSTRACT

The problem of measurement in quantum mechanics is that the quantum particle in the course of evolution, as described by the linear Schrodinger equation, exists in all of its possible states, but in measuring, the particle is always detected in only one of its states. This property is called the "collapse of the wave function" and was formulated by Von Neumann as one of the postulates of quantum mechanics. However, it remains unclear at what point in time and under what laws this transition occurs. This article demonstrates that the collapse of the wave function may be due to the creation or annihilation of particles (quasi-particles). The processes of the creation or annihilation of particles play a key role in the measurements and are described on the basis of quantum field theory. The system of equations of quantum field theory of particles and fields is non-linear; as a result, the principle of superposition does not hold for the theory. The collapse of the wave function is a consequence of this non-linearity and occurs at the moment of creation (annihilation) of a particle. This result demonstrates that the wave function collapse can occur in both microscopic and macroscopic systems. Understanding the mechanisms of the collapse of the wave function can lead to the creation of microscopic devices involved in the calculations based on quantum computing.

연구 동기 및 목표

• 양자역학에서 파동함수 붕괴의 기초 문제를 해결하기 위해.
• 측정 과정에서 상태의 초월이 어떻게 단일 확정된 결과로 붕괴되는지 설명하기 위해.
• 붕괴가 가정된 공리가 아니라, 양자장론의 비선형 역학의 결과임을 보여주기 위해.
• 붕괴 메커니즘이 미세계 뿐 아니라 거시계에도 적용된다는 것을 보여주기 위해.
• 내재된 붕괴 메커니즘을 기반으로 한 양자계산 장치의 이론적 기초를 마련하기 위해.

제안 방법

• 논문은 입자 생성 및 파괴 연산자를 포함한 방정식을 사용하여 양자장의 역학을 수립한다.
• 상대론적 양자장론의 프레임워크 내에서 상호작용이 비선형 운동 방정식을 유도함을 분석한다.
• 장 방정식의 비선형성은 초월 원리의 붕괴를 초래하며, 이는 파동함수 붕괴에 필수적이다.
• 입자 생성 또는 파괴의 순간에 정확히 붕괴가 발생함을 보여주며, 이러한 과정은 본질적으로 비선형적이다.
• 측정 공리 외부의 가정이 필요 없이, 장 이론의 내부 역학에서 붕괴를 유도함으로써 외부 측정 공리의 필요성을 피한다.
• 모델은 기본 입자와 준입자 모두에 적용되어 광범위한 적용 가능성을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자역학에서 별도의 측정 과정을 가정하지 않고 파동함수 붕괴를 설명할 수 있는가?
• RQ2 입자 생성 및 파괴는 초월 상태에서 단일 상태로의 전이에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 양자장론의 비선형성은 초월 원리의 붕괴를 어떻게 이끌어내며, 그로 인해 파동함수 붕괴가 발생하는가?
• RQ4 이 붕괴 메커니즘은 미세계 뿐 아니라 거시계에도 적용 가능한가?
• RQ5 이 메커니즘은 내재된 붕괴 역학을 활용하는 양자계산 장치의 기초가 될 수 있는가?

주요 결과

• 파동함수 붕괴는 외부의 가정이 아니라, 양자장론의 비선형 역학에서 자연스럽게 유도된다.
• 입자 생성 및 파괴 과정이 파동함수 붕괴를 유도하는 물리적 메커니즘으로 규명된다.
• 장 상호작용에 의해 도입된 비선형성은 초월 원리의 무효화를 초래하며, 그로 인해 붕괴가 발생한다.
• 붕괴는 입자 생성 또는 파괴의 순간에 정확히 발생하며, 명확한 물리적 메커니즘을 제공한다.
• 이 메커니즘은 거시계를 포함한 모든 체계에 일반적으로 적용되며, 스케일을 초월한 측정 문제를 해결한다.
• 이 프레임워크는 내재된 붕괴 과정을 기반으로 하는 양자계산 장치 설계를 위한 이론적 기초를 제공한다.