[论文解读] Observing The Observer

Vlatko Vedral|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2016

Quantum Mechanics and Applications参考文献 1被引用 5

一句话总结

本文提出一个量子思想实验，将 Wigner 的朋友 thought experiment 和 Schrödinger 的猫思想实验扩展至宏观观察者，以检验量子叠加是否适用于宏观观察者。通过反转包含人类观察者测量的幺正演化，作者表明，即使系统被恢复到初始状态，记录（如书面笔记）仍可持久存在——证明若未发生波函数坍缩，测量结果可逆，从而挑战了量子力学中不可逆观测的观点。

ABSTRACT

I present a simple variant of the Schrödinger cat meets Wigner's friend thought experiment. If you are shocked by it, you have not understood quantum physics (no words are missing from this sentence).

研究动机与目标

• 探究量子力学是否普遍适用，包括对人类等宏观观察者是否适用。
• 检验测量结果并非根本不可逆的假设，从而挑战波函数坍缩的观点。
• 证明观察记录（如书面笔记）可在整个量子系统被幺正反转后依然存在，即使观察者的记忆已被擦除。
• 提供一种框架，基于实验可逆性而非诠释偏好，区分量子力学的不同诠释。

提出的方法

• 构建一个思想实验，其中物理学家（Alice）对包含人类观察者（Bob）、放射性原子、猫和毒药的系统执行幺正演化，且该系统与环境完全隔离。
• 将系统的态建模为分支的叠加：一个分支中原子衰变（导致猫死亡），另一个分支中原子未衰变，且在每个分支中 Bob 均观察到确定结果。
• Alice 通过门缝递送一张纸条，询问 Bob 是否看到猫的确定态；Bob 回复“是”，该回复成为全局量子态的一部分。
• 应用幺正反转操作，以撤销所有先前的变换——包括 Bob 的观察——同时保留书面笔记作为经典记录。
• 利用笔记在反转后依然存在的事实，证明 Bob 的观察并未导致波函数坍缩，而仅是其与系统产生纠缠。
• 将论证扩展至光子和原子系统，其中类似的可逆性已通过实验验证，使用光子反射和镜面反冲作为猫的命运与 Bob 观察的类比。

实验结果

研究问题

• RQ1 人类观察者的测量能否在不破坏其观察记录的前提下，通过幺正操作实现反转？
• RQ2 在幺正反转后，经典记录（如书面笔记）的持久存在是否意味着未发生波函数坍缩？
• RQ3 宏观观察者是否可能相对于外部观察者处于量子叠加态，同时仍体验到确定的测量结果？
• RQ4 测量过程的可逆性能否用于区分主张波函数坍缩的诠释与不主张坍缩的诠释？
• RQ5 何种实验特征可将真正的不可逆坍缩与因退相干而看似不可逆的幺正演化区分开来？

主要发现

• 写着“是的，我看到猫的确定态”的书面笔记在系统整体被幺正反转后依然存在，尽管其他所有量子态均已恢复至初始叠加态。
• 笔记的持久存在证明 Bob 的观察并非坍缩，而是纠缠过程，因为该记录在所有幺正操作被反转后依然保留。
• 若波函数坍缩真实且不可逆，则反转操作将失败，系统将最终处于混合态，原子衰变的概率为 50%。
• 该实验表明，从 Alice 的视角看，Bob 处于观察到死猫或活猫的叠加态；而从 Bob 的视角看，他体验到的是确定的结果。
• 该思想实验可通过光子或原子系统进行实验验证，其中量子相干性和可逆性已得到实证支持。
• 结果支持量子力学适用于宏观系统（包括观察者），因此与多世界诠释相容。