[논문 리뷰] Wave Function Collapse and the No-Superluminal-Signaling Principle

Edward J. Gillis|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 13.

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한 줄 요약

이 논문은 초광속 신호 전파를 방지하기 위해 파동함수 붕괴가 실재하는 비결정론적 물리적 과정이어야 하며, 그러한 붕괴는 유일하게 국소적이지 않은 얽힘 상호작용—특히 정보를 확보하는 상호작용—에 의해 유도된다고 주장한다. 핵심 기여는 비결정성으로 인해 고립된 시스템에서 정보를 재현적으로 구현할 수 없기 때문에 발생하는 정보 접근성의 불가능성에 기반한 물리적 형태의 비신호 전파 원칙 제시이며, 이는 상호작용 잠재에너지와 관련된 스토하스틱 붕괴 모델로 이어진다.

ABSTRACT

The assumption that wave function collapse is a real occurrence has very interesting consequences - both experimental and theoretical. Besides predicting observable deviations from linear evolution, it implies that these deviations must originate in nondeterministic effects at the elementary level in order to prevent superluminal signaling, as demonstrated by Gisin. This lack of determinism implies that information cannot be instantiated in a reproducible form in isolated microsystems (as illustrated by the No-cloning theorem). By stipulating that information is a reproducible and referential property of physical systems, one can formulate the no-signaling principle in strictly physical terms as a prohibition of the acquisition of information about spacelike-separated occurrences. This formulation provides a new perspective on the relationship between relativity and spacetime structure, and it imposes tight constraints on the way in which collapse effects are induced. These constraints indicate that wave function collapse results from (presumably small) nondeterministic deviations from linear evolution associated with nonlocally entangling interactions. This hypothesis can be formalized in a stochastic collapse equation and used to assess the feasibility of testing for collapse effects.

연구 동기 및 목표

• 선형 진화에서의 이격을 보여주는 실험적 결과를 통해 파동함수 붕괴가 이론적 편의가 아니라 검증 가능한 물리적 현상임을 입증하기 위해.
• 양자 비국소성과 상대론적 인과성 간의 기초적 갈등을 해결하기 위해 비신호 전파 원리를 정보 구현에 대한 물리적 제약에 기반시켜야 한다는 것을 입증하기 위해.
• 붕괴가 임의의 과정에 의해 일어나지 않고 오직 정보를 확보하는 상관관계가 있는 상호작용에 의해만 일어날 수 있음을 보여주어 붕괴를 정보 확보와 연결짓기 위해.
• 상호작용 잠재에너지와 얽힘에 기반한 작은 비결정론적 이격에 의해 발생하는 스토하스틱 붕괴 모델을 물리적으로 근거를 두고 제안하기 위해.
• 이 틀이 상대론적 불변성을 유지하면서도 제어 가능한 상호작용을 통한 실험적 검증 가능성을 허용하도록 하기 위해.

제안 방법

• 비결정성으로 인해 고립된 미세계에서 정보를 재현적으로 구현할 수 없기 때문에, 시공간적으로 분리된 사건에 대한 정보 확보가 불가능하다는 점에 기반해 비신호 전파 원리를 물리적 금지로 제시하기 위해.
• Gisin의 정리를 사용해 초광속 신호 전파를 피하기 위해 모든 기본 수준의 붕괴 메커니즘이 비결정적이어야 한다는 것을 입증하기 위해.
• 비관측 가능한 시공간적 초면 $ \sigma(s) $ 와 연결된 전역적 순서 매개변수 $ s $ 를 도입하여 국소적이지 않은 붕괴 사건의 시간 순서를 정렬하면서도 로렌츠 불변성을 유지하기 위해.
• 붕괴 연산자가 상호작용 잠재에너지와 상호작용하는 질량의 합으로 나누어진 비례함수로 구성된 스토하스틱 붕괴 방정식을 구성하여 붕괴가 얽힘에 비례하도록 보장하기 위해.
• 비상대론적 스토하스틱 붕괴 모델을 수정하여 순서 매개변수 $ s $ 를 알려지지 않은 관성 기준계의 시간과 일치시켜 보존 법칙을 유지하기 위해.
• 붕괴가 오직 참조 정보를 저장하는 상관관계가 있는 상호작용 동안만 발생하도록 정의하여 시공간적으로 분리된 영역 간의 신호 전파를 방지하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 파동함수 붕괴가 초광속 신호 전파 원칙을 위반하지 않도록 실재적인 물리적 과정이 될 수 있는가?
• RQ2 파동함수 붕괴 메커니즘이 시공간적으로 분리된 영역 간의 신호 전파를 방지하기 위해 만족해야 할 물리적 제약는 무엇인가?
• RQ3 비결정론적 양자 사건과의 일관성을 유지하면서도 관찰자나 측정 맥락에 의존하지 않는 비신호 전파 원리를 기본 물리적 용어로 어떻게 기술할 수 있는가?
• RQ4 정보 확보, 얽힘, 파동함수 붕괴 유도 간의 관계는 무엇인가?
• RQ5 상대성 이론과 양자 사건의 비결정성과 일관성을 유지하는 스토하스틱 붕괴 모델을 구성할 수 있는가?

주요 결과

• Gisin의 정리에 따르면 초광속 신호 전파를 방지하기 위해 기본 수준에서 파동함수 붕괴는 비결정적이어야 한다.
• 모르는 양자 상태를 복제할 수 없다는 '복제 금지 정리'는 고립된 미세계에서 정보를 재현적으로 구현할 수 없음을 의미하며, 이는 정보 접근에 대한 물리적 한계를 강제한다.
• 붕괴는 임의의 과정에 의해 일어나지 않으며, 오직 참조 정보를 저장하는 상관관계가 있는 상호작용에 의해만 유도될 수 있다. 이는 시공간적으로 분리된 영역 간의 신호 전파를 방지한다.
• 제안된 스토하스틱 붕괴 모델은 상호작용 잠재에너지와 총 질량의 비율에 비례하여 붕괴를 유도하여 붕괴가 얽힘에 비례하고 보존 법칙과 일관성을 유지함을 보장한다.
• 비관측 가능한 전역적 순서 매개변수 $ s $ 는 상대론적 변환 성질을 위반하지 않으면서도 비국소적 붕괴 사건을 일관되게 기술할 수 있도록 한다.
• 이 틀은 제어 가능한 상호작용을 통해 붕괴 효과를 실험적으로 검증할 수 있는 전략을 제안하지만, 선형성에서의 이격은 여전히 관측하기 어려운 상태이다.