[论文解读] Emergence of the Classical from within the Quantum Universe

Wojciech H. Zurek|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2021

Quantum Mechanics and Applications参考文献 21被引用 5

一句话总结

本文提出，经典现实通过退相干、环境选择性测量（einselection）和量子达尔文主义从量子力学中涌现——其中环境监控将系统状态的信息复制到环境中，从而实现客观的、与观察者无关的知识。其关键贡献在于表明，经典世界并非源于测量坍缩，而是源于环境中信息的冗余性，使量子态成为认识论意义上的客观现实，从而从量子基础中涌现出客观现实。

ABSTRACT

Decoherence shows how the openness of quantum systems -- interaction with their environment -- suppresses flagrant manifestations of quantumness. Einselection accounts for the emergence of preferred quasi-classical pointer states. Quantum Darwinism goes beyond decoherence. It posits that the information acquired by the monitoring environment responsible for decoherence is disseminated, in many copies, in the environment, and thus becomes accessible to observers. This indirect nature of the acquisition of information by observers who use the environment as a communication channel is the mechanism through which objective classical reality emerges from the quantum substrate: States of the systems of interest are not subjected to direct measurements (hence, not perturbed) by the agents acquiring information about them. Thus, they can exist unaffected by the information gained by observers.

研究动机与目标

• 解释经典现实如何在不依赖测量假设的前提下从量子力学中涌现。
• 证明经典态的客观性源于环境对系统态信息的冗余编码。
• 表明观察者可通过环境关联间接获取关于量子系统的知识，避免波函数坍缩。
• 确立指针态（由退相干和环境相互作用选择）成为经典描述的优选基。
• 主张‘存在’与‘已知’之间的区分并非根本性的，而是从量子信息动力学中涌现的。

提出的方法

• 使用退相干理论建模系统与环境相互作用如何抑制量子叠加，从而选择稳定的指针态作为经典描述的优选。
• 应用信息论量化系统信息如何在环境中冗余地被记录，从而导致量子达尔文主义。
• 将环境视为通信信道，使多个观察者能够独立访问关于系统的相同信息。
• 使用约化密度矩阵及其本征态识别优选态，尽管承认其在经典性判定中的局限性。
• 将分析扩展至退相干与量子混沌系统中熵产生之间的联系，与热力学第二定律相联系。
• 通过思想实验和基础分析论证，尽管量子理论的怪异性依然存在，但经典客观性源于信息冗余。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无直接测量的情况下，经典世界如何从量子基底中涌现？
• RQ2 为何某些量子态——指针态——被优选用于经典描述？
• RQ3 何种机制使多个观察者能够独立访问关于系统的相同信息而不干扰系统？
• RQ4 环境在量子宇宙中如何充当经典信息的通信信道？
• RQ5 信息冗余在从量子基础建立客观现实的过程中起何种作用？

主要发现

• 退相干通过系统与环境的耦合抑制量子干涉，导致指针态被选为经典描述的优选态。
• 量子达尔文主义通过环境中系统信息的冗余分布解释了经典现实的客观性，使其可被多个观察者访问。
• 环境充当通信信道，使观察者能间接获取关于系统的知识而不扰动系统，从而保持系统态的完整性。
• 本体论（存在之物）与认识论（已知之物）之间的区分并非根本性的，而是源于系统与其环境信息载体之间的分离。
• 由退相干选择的指针态并非约化密度矩阵的本征态，这挑战了早期假设，并对经典性标准进行了修正。
• 本文认为，即使量子理论被更深层理论取代，量子怪异性——包括叠加与纠缠——仍将存在，因其根植于实验现实。