[论文解读] Preferred Observables, Predictability, Classicality, and the Environment-Induced Decoherence

Wojciech H. Zurek|ArXiv.org|Feb 3, 1994

Quantum Mechanics and Applications参考文献 11被引用 8

一句话总结

本文提出可预测性筛法——一种利用统计熵与算法熵来识别开放量子系统中稳定、可预测态的方法。它表明环境引起的退相干会选择一个优选指针基，通过持续的相关性实现经典行为，并将此与一致历史理论及多世界诠释中经典现实的涌现联系起来。

ABSTRACT

Selection of the preferred classical set of states in the process of decoherence -- so important for cosmological considerations -- is discussed with an emphasis on the role of information loss and entropy. {\it Persistence of correlations} between the observables of two systems (for instance, a record and a state of a system evolved from the initial conditions described by that record) in the presence of the environment is used to define classical behavior. From the viewpoint of an observer (or any system capable of maintaining records) {\it predictability} is a measure of such persistence. {\it Predictability sieve} -- a procedure which employs both the statistical and algorithmic entropies to systematically explore all of the Hilbert space of an open system in order to eliminate the majority of the unpredictable and non-classical states and to locate the islands of predictability including the preferred {\it pointer basis} is proposed. Predictably evolving states of decohering systems along with the time-ordered sequences of records of their evolution define the effectively classical branches of the universal wavefunction in the context of the ``Many Worlds Interpretation". The relation between the consistent histories approach and the preferred basis is considered. It is demonstrated that histories of sequences of events corresponding to projections onto the states of the pointer basis are consistent.

研究动机与目标

• 识别开放量子系统中由环境诱导退相干所涌现的优选经典态集合。
• 阐明信息丢失与熵在选择稳定、可预测可观测量中的作用。
• 建立可预测性、经典性与一致历史形式体系之间的联系。
• 提供一种系统化方法，以定位指针基——即在环境相互作用下仍保持鲁棒的态集合。

提出的方法

• 可预测性筛法同时应用统计熵与算法熵，扫描开放量子系统的希尔伯特空间。
• 它识别出在时间上与环境保持持续相关性的态，表明其具有经典可预测性。
• 该方法系统性地排除非可预测与非经典态，从而在希尔伯特空间中隔离出‘可预测性岛’。
• 它利用系统的约化密度矩阵分析退相干，并识别指针基。
• 该方法通过证明对指针态的时间投影序列可产生一致历史，将指针基与一致历史联系起来。
• 它将经典行为表述为系统记录与其演化态之间相关性的持久性，即使在环境相互作用下依然成立。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些量子态在环境相互作用下仍保持稳定与可预测？其优选原因是什么？
• RQ2 环境诱导的退相干如何导致量子系统中经典行为的涌现？
• RQ3 量子力学中指针基与一致历史之间存在何种关系？
• RQ4 如何量化可预测性，并利用其识别全域波函数的经典分支？
• RQ5 信息丢失与熵在选择优选可观测量集合中扮演何种角色？

主要发现

• 可预测性筛法通过识别在环境相互作用下相关性持久性最大的态，成功定位了指针基。
• 可预测态——即算法熵与统计熵均较低的态——在希尔伯特空间中形成‘岛’，表明其对退相干具有鲁棒性。
• 指针基对应于对时间序列投影时能产生一致历史的态集合。
• 系统态与其记录之间持久的相关性，从观测者视角定义了经典行为。
• 该方法证实，优选基自然地从退相干与信息流的动力学中涌现。
• 该框架支持如下观点：经典性并非源于基本公设，而是退相干、可预测性与信息丢失相互作用的结果。