[论文解读] Quantum information and the arrow of time

Andrea Di Biagio, Pietro Donà+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2020

Quantum Mechanics and Applications被引用 3

一句话总结

本文挑戰了量子時間之箭的觀念，表明量子資訊理論中時間非對稱的表述並非源自基本的量子動力學，而是源自於觀察者自身的熱力學時間之箭。它顯示量子力學本身具有時間反演不變性，而表面上的時間方向性源自於觀察者自身的熱力學非對稱性，而非量子理論的內在性質。

ABSTRACT

It is often stated that quantum theory yields probabilities for outcomes of $future$ measurements. This language reinforces a common misconception: that quantum dynamics is time oriented. In fact, the past of quanta is as undetermined as their future given the present. Here we address the apparent tension between the time-reversal invariance of elementary quantum physics and the intrinsic time orientation of the formulations of quantum theory used in the quantum information and quantum foundations communities. We show that the latter does not stem from a quantum arrow of time, but from the agent's own thermodynamic arrow of time.

研究动机与目标

• 澄清量子理論本身並未內在地表現出時間定向動力學的誤解。
• 探究量子資訊與基礎理論框架中時間非對稱性的來源。
• 展示量子測量中的時間定向性源自於觀察者的熱力學時間之箭，而非量子力學本身。
• 調和量子理論的時間反演不變性與量子基礎理論中使用的時間非對稱表述之間的矛盾。

提出的方法

• 分析測量結果在量子理論中的角色，強調在給定當下的情況下，過去與未來皆同等不確定。
• 對比標準量子形式主義（具有時間反演不變性）與量子資訊理論中使用的時間非對稱語言。
• 識別出觀察者的熱力學時間之箭是量子測量中時間定向性的來源。
• 運用概念分析與基礎推理，表明時間非對稱性並未編碼於量子動力學之中，而是出現在觀察者的知識論與熱力學脈絡中。
• 檢視量子資訊協定（如量子態制備與測量）如何雖基於對稱的理論，卻以時間非對稱的方式來表述。
• 主張觀察者的記憶與資訊處理（受熱力學支配）施加了所觀察到的時間定向性。

实验结果

研究问题

• RQ1 為何量子資訊框架即使在量子力學具有時間反演不變性的前提下，仍使用時間非對稱的語言？
• RQ2 量子測量與態制備中的時間定向性源自何處？
• RQ3 如何調和量子理論中的時間反演不變性與量子基礎理論中明顯的時間之箭？
• RQ4 量子資訊理論中的時間非對稱性是量子力學的特性，還是觀察者熱力學脈絡的結果？
• RQ5 觀察者的熱力學時間之箭在多大程度上能解釋量子實驗中所觀察到的時間定向性？

主要发现

• 量子理論本身並未內在地擁有時間之箭；在給定當下的情況下，過去與未來皆同等不確定。
• 量子資訊表述中的時間非對稱性並非源自量子動力學，而是源自於觀察者的熱力學時間之箭。
• 觀察者的記憶與資訊處理（其本身具有熱力學不可逆性）施加了所觀察到的時間定向性於量子測量之上。
• 標準量子理論語言（專注於未來測量）反映出一種根植於熱力學而非量子力學的知識論偏見。
• 時間反演不變性在量子理論中依然成立，而表面上的時間定向性是觀察者熱力學脈絡的結果，而非量子動力學的根本特性。
• 本論文透過識別非對稱性的來源為熱力學性質而非量子性質，解決了時間對稱的量子力學與時間非對稱的量子資訊之間的張力。