[论文解读] The quantum state can be interpreted statistically

Peter G. Lewis, Terry Rudolph+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2012

Quantum Mechanics and Applications被引用 31

一句话总结

本文在温和的物理假设下论证了量子态不能纯粹是统计性的，表明不同的量子态必须对应于现实中的物理上不同的状态。如果量子理论的预测——即使存在实验噪声——成立，这将意味着量子态具有本体论（真实）解释，从而排除了纯粹认识论（统计性）模型。

ABSTRACT

Quantum states are the key mathematical objects in quantum theory. It is therefore surprising that physicists have been unable to agree on what a quantum state represents. There are at least two opposing schools of thought, each almost as old as quantum theory itself. One is that a pure state is a physical property of system, much like position and momentum in classical mechanics. Another is that even a pure state has only a statistical significance, akin to a probability distribution in statistical mechanics. Here we show that, given only very mild assumptions, the statistical interpretation of the quantum state is inconsistent with the predictions of quantum theory. This result holds even in the presence of small amounts of experimental noise, and is therefore amenable to experimental test using present or near-future technology. If the predictions of quantum theory are confirmed, such a test would show that distinct quantum states must correspond to physically distinct states of reality.

研究动机与目标

• 确定量子态是否可以被纯粹地解释为统计性的，如同统计力学中的概率分布那样。
• 评估此类统计解释在现实实验条件下与量子理论预测的一致性。
• 确立如果量子力学正确，不同的量子态是否必须对应于物理上不同的现实状态。
• 提供一个可检验的框架，以区分量子态的本体论（真实）解释与认识论（知识基础）解释。

提出的方法

• 作者在最小物理假设下推导出任何量子力学本体论模型的约束条件，包括制备独立性和物理态空间的存在。
• 他们基于Pusey–Barrett–Rudolph（PBR）定理的框架，将其扩展以包含小量实验噪声。
• 该方法涉及分析对应于不同量子态的本体态之间的重叠，表明若量子理论正确，这种重叠必须消失。
• 该分析依赖于在假设纯粹统计解释的同时仍保持量子预测时产生的逻辑矛盾。
• 该方法使用一个思想实验，对多个量子态进行制备，并检查由此产生的本体态分布的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 纯粹的统计性解释是否能与量子理论的预测保持一致？
• RQ2 当引入小量实验噪声时，量子态的认识论模型会发生什么变化？
• RQ3 如果量子力学成立，不同的量子态是否必须对应于物理上不同的现实状态？
• RQ4 是否存在一种可检验的方法来排除对量子态的纯粹认识论解释？

主要发现

• 在最小物理假设下，量子态的统计解释与量子理论的预测不一致。
• 即使存在少量实验噪声，量子理论的预测仍排除了对量子态的纯粹认识论模型。
• 结果表明，若量子理论正确，不同的量子态必须对应于物理上不同的现实状态。
• 该框架足够稳健，可利用当前或近未来实验技术进行检验。