[论文解读] Causality and Nonlocality as Axioms for Quantum Mechanics

Sandu Popescu, Daniel Rohrlich|ArXiv.org|Sep 11, 1997

Quantum Mechanics and Applications参考文献 2被引用 8

一句话总结

本文研究了量子力学是否是唯一能够调和非定域性与相对论因果性的理论，通过引入两种非量子模型：'超量子'关联和非定域的'干扰'关联。研究发现，尽管这些模型满足某些因果性和非定域性的定义，但它们以不同于量子力学的方式违反了不可 signaling 原则，表明仅靠因果性和非定域性不足以唯一刻画量子理论。

ABSTRACT

Quantum mechanics permits nonlocality - both nonlocal correlations and nonlocal equations of motion - while respecting relativistic causality. Is quantum mechanics the unique theory that reconciles nonlocality and causality? We consider two models, going beyond quantum mechanics, of nonlocality: "superquantum" correlations, and nonlocal "jamming" of correlations. These models are consistent with some definitions of nonlocality and causality.

研究动机与目标

• 确定量子力学是否是唯一能够调和非定域性与相对论因果性的理论。
• 检验是否存在超越量子力学的替代理论，同样满足非定域性与因果性约束。
• 分析非量子非定域关联与非定域'干扰'关联的物理和操作性含义。
• 评估因果性与非定域性是否可作为量子力学的基本公理。

提出的方法

• 引入一种假设的'超量子'关联模型，该模型在保持不可 signaling 的前提下最大化量子非定域性。
• 将非定域'干扰'作为机制，通过其在不传递信号的情况下破坏关联，检验其与因果性的相容性。
• 将不可 signaling 条件作为关键约束，评估非量子模型是否能与相对论因果性共存。
• 比较量子关联的结构与这些假设模型，以识别其区分特征。
• 运用操作性与信息论推理，评估非定域模型的物理合理性。
• 采用思想实验与关联函数的代数分析，探索非定域性的边界。

实验结果

研究问题

• RQ1 非定域关联能否在不传递信号的情况下存在，且此类关联是否唯一刻画量子力学？
• RQ2 比量子力学更强的非定域性模型——'超量子'关联——是否仍尊重相对论因果性？
• RQ3 非定域'干扰'关联能否作为不违反因果性的物理机制而一致存在？
• RQ4 非定域性与因果性的结合是否足以推导出量子力学作为唯一理论？
• RQ5 因果性与非定域性对超越量子力学的物理理论结构施加了何种约束？

主要发现

• 非量子的'超量子'关联可在违反 Tsirelson 不等式的同时仍遵守不可 signaling 原则，表明仅靠非定域性无法排除此类模型。
• 非定域'干扰'关联——即一个位置的测量选择可破坏远处的纠缠——若不传递信息，则可与因果性相容。
• 本文证明因果性与非定域性不足以唯一刻画量子力学，因为经典理论与非量子理论同样可满足这些公理。
• 量子力学并非唯一能表现出非定域性而不传递信号的理论，表明需要额外原理才能恢复量子理论。
• 此类模型的存在表明，非定域性与因果性是量子力学的必要条件，但非充分条件。
• 分析揭示了操作性非定域性与量子关联结构之间存在根本性差距，凸显了需要进一步公理化。