[论文解读] Comment on: Observation of a quantum Cheshire Cat in a matter-wave interferometer experiment

W. M. Stuckey, Michael Silberstein+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2014

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用 1

一句话总结

本文挑战了2014年中子干涉实验被解释为量子猫中猫（quantum Cheshire Cat）现象的证据，该现象认为中子的自旋与其粒子在空间上发生分离。研究证明，所观测到的弱值——用于支持这种分离的依据——源于线性和二次磁相互作用的组合，且二次项的存在使量子猫中猫的推论失效，表明仅靠弱值无法在不考虑相互作用强度的情况下做出本体论推断。

ABSTRACT

In a July 2014 Nature Communications paper, Denkmayr et al. claim to have instantiated so-called quantum Cheshire Cat experiment using neutron interferometry. Crucial to this claim are weak values which must imply quantum Cheshire Cat interpretation, i.e., the neutron and its spin are spatially separated in their experiment. While they measured correct weak values for quantum Cheshire Cat interpretation, corresponding implications do not obtain because, as we show, those weak values were measured with both a quadratic and a linear magnetic field Bz interaction. We show explicitly how those weak values imply quantum Cheshire Cat if Bz interaction is linear and then we show how quadratic Bz interaction destroys quantum Cheshire Cat implications of those weak values. Since both linear and quadratic Bz interactions contribute equally to neutron intensity in this experiment, deviant weak value implications are unavoidable. Because weak values were used successfully to compute neutron intensities for weak Bz in this experiment, it is clearly case that one cannot make ontological inferences from weak values without taking into account corresponding interaction strength.

研究动机与目标

• 挑战2014年Denkmayr等人中子干涉实验被解释为量子猫中猫现象的证据。
• 分析线性和二次磁相互作用（Bz）在弱值测量中的作用。
• 证明二次Bz相互作用的存在会破坏所测弱值的量子猫中猫含义。
• 论证弱值不能在未考虑相互作用哈密顿量的性质和强度的情况下，用于对粒子属性做出本体论推断。
• 阐明弱值在何种条件下可以或不可以支持非经典解释（如属性的空间分离）。

提出的方法

• 分析中子干涉实验装置的哈密顿量，特别将相互作用分解为Bz的线性和二次项。
• 分别推导在纯线性与纯二次Bz相互作用下中子自旋和位置的弱值。
• 比较仅存在线性Bz相互作用时（此时支持量子猫中猫）与实际情况下线性和二次项贡献相等时的弱值含义。
• 利用实验中中子强度可被弱值准确预测的事实，推断相互作用强度不可忽略，必须予以考虑。
• 应用标准弱测量形式体系，表明二次相互作用项引入了虚假贡献，从而破坏了空间分离的解释。
• 确立线性和二次相互作用共存导致弱值解释模糊，无法得出确定的本体论结论。

实验结果

研究问题

• RQ1 当线性和二次磁相互作用同时存在时，Denkmayr等人实验中报告的弱值能否被解释为量子猫中猫的证据？
• RQ2 包含二次Bz相互作用项如何影响中子干涉实验中弱值的物理解释？
• RQ3 在何种条件下弱值能可靠地支持对量子属性空间分离的本体论推断？
• RQ4 为何相同弱值在能准确预测中子强度的同时，却在存在二次相互作用时无法支持量子猫中猫的解释？
• RQ5 在未完全掌握相互作用哈密顿量的情况下，弱值在多大程度上可用于推断非经典粒子行为？

主要发现

• Denkmayr等人实验中测得的弱值受到磁相互作用Bz的线性和二次分量的共同影响。
• 当仅考虑线性Bz相互作用时，弱值确实暗示了量子猫中猫现象，即自旋与粒子在空间上分离。
• 然而，同样贡献的二次Bz相互作用项破坏了这一解释，因其引入了非物理的弱值贡献，干扰了空间分离的推断。
• 实验中的中子强度测量可被弱值准确再现，证实了其预测能力，但这并不支持关于属性分离的本体论主张。
• 本研究结论为：在未明确考虑相互作用哈密顿量结构的情况下，弱值无法用于推断量子猫中猫效应的存在。
• 因此，当完整考虑相互作用时，该实验中观测到量子猫中猫现象的说法缺乏数据支持。