[论文解读] Flux-qubit and the law of angular momentum conservation

А. В. Никулов|arXiv (Cornell University)|May 19, 2010

Quantum Mechanics and Applications参考文献 73被引用 3

一句话总结

本文主张，超导量子计算中广泛接受的通量任意子违背了角动量守恒定律与宏观实在论，挑战了宏观持久电流态叠加假设的有效性。文章认为，这种误解源于忽视了量子力学中的基础哲学问题，如叠加的本质与量子描述的性质，并警告忽视这些问题将导致量子信息研究中的根本性错误。

ABSTRACT

The confidence of many authors in the possibility to use superconducting loop interrupted by Josephson junctions as a basis for quantum bit, flux qubit, presumes the assumption on superposition of two macroscopically distinct quantum states with macroscopically different angular momentum. The contradiction of this assumption with macroscopic realism and the conservation law must call the numerous publications about flux qubit in question. These publications uncover misunderstanding by many modern physicists of the essence of the superposition principle. The Einstein - Podolsky - Rosen (EPR) correlation or entanglement, introduced in 1935 by opponents of the Copenhagen interpretation in order to reveal the contradiction of this principle with realism, has provided a basis of the idea of quantum computation. The problem of the EPR correlation has emerged thanks to philosophical controversy between the creators of the quantum theory about the subject of its description. Therefore it is impossible to solve correctly the problem of quantum computer creation without the insight into the essence of this philosophical controversy. The total neglect of the philosophical problems of quantum foundation results to concrete mistakes, the example of which are the publications about flux qubit. In order to prevent such mistakes in the future the philosophical questions about the essence of superposition and entanglement and about the subject of quantum description are considered.

研究动机与目标

• 揭示通量任意子模型与角动量守恒定律之间的矛盾。
• 批判广泛存在的假设，即超导环能够支持宏观上不同的电流态的叠加。
• 阐明忽视基础量子哲学如何导致量子计算研究中的概念性错误。
• 主张爱因斯坦、玻尔等人关于量子描述的哲学争议对正确开展量子信息科学至关重要。
• 敦促研究人员在推进量子计算技术之前，重新审视量子力学的认识论基础。

提出的方法

• 利用电流-相位关系 $ I_p = I_c \sin(\Delta\phi) $ 分析含约瑟夫森结的超导环中的持久电流态。
• 应用通量量子化条件 $ \Delta\phi_1 + \Delta\phi_2 + \Delta\phi_3 + 2\pi\Phi/\Phi_0 = 2\pi n $ 推导非零持久电流的存在。
• 在宏观实在论与角动量守恒的背景下审视叠加原理。
• 回顾无解定理，包括贝尔定理与格雷克-加尔不等式，以评估其在单系统叠加中的适用性。
• 批判性地分析通量任意子实验结果作为宏观叠加证据的使用，认为其无法排除隐变量模型。
• 借鉴爱因斯坦的认识论框架，主张量子力学必须建立在哲学清晰性的基础之上，以避免概念性错误。

实验结果

研究问题

• RQ1 在超导环中假设两个宏观上不同的持久电流态之间存在叠加，是否违反角动量守恒定律？
• RQ2 对单个通量任意子系统的实验观测能否被解释为宏观量子叠加的决定性证据？
• RQ3 为何许多现代物理学家未能认识到叠加原理及其影响背后的哲学基础？
• RQ4 贝尔定理或格雷克-加尔不等式在多大程度上适用于像通量任意子这样的单个局域量子系统？
• RQ5 忽视量子力学中的认识论问题，如何导致量子计算研究中的根本性错误？

主要发现

• 在通量任意子中假设两个宏观上不同的电流态之间存在叠加，违反了角动量守恒定律。
• 含约瑟夫森结的超导环中的持久电流态无法以保持角动量的方式实现叠加，这与标准通量任意子模型相矛盾。
• 贝尔定理与格雷克-加尔不等式不适用于像通量任意子这样的单个局域系统，从而削弱了利用它们来证明宏观叠加的尝试。
• 通量任意子的实验结果无法作为宏观叠加的证据，因为它们无法排除局域隐变量模型。
• 通量任意子模型被广泛接受，源于一种哲学上的疏忽——即忽视了关于量子描述对象的基础性争论。
• 本文结论认为，整个通量任意子研究路线建立在一种‘荒谬的错误’之上，其根源在于对量子基础与认识论的无视。