[论文解读] Quantum measurement breaks Lorentz symmetry

I C Percival|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 1999

Quantum Mechanics and Applications参考文献 13被引用 7

一句话总结

本文论证了量子测量本质上会破坏洛伦兹对称性，因为它需要一个优选参考系，这是通过量子系统因果结构的广义分析得出的。通过传递函数分析并放宽对因果性的先前假设，本文表明必须排除禁止的因果环——即逻辑上不一致的 retrocausal 循环——这意味着量子测量动力学必然需要一个优选的洛伦兹参考系，从而在量子基础理论中挑战相对性原理。

ABSTRACT

Traditionally causes come before effects, but according to modern physics things aren't that simple. Special relativity shows that `before' and `after' are relative, and quantum measurement is even more subtle. Since the nonlocality of Bell's theorem, it has been known that quantum measurement has an uneasy relation with special relativity, described by Shimony as `peaceful coexistence'. Hardy's theorem says that quantum measurement requires a preferred Lorentz frame. The original proofs of the theorem depended on there being no backward causality, even at the quantum level. In quant-ph/9803044 this condition was removed. It was only required that systems with classical inputs and outputs had no causal loops. Here the conditions are weakened further: there should be no forbidden causal loops as defined in the text. The theory depends on a transfer function analysis, which is introduced in detail before application to specific systems.

研究动机与目标

• 研究量子测量与狭义相对论的相容性，特别是因果性与洛伦兹不变性的角色。
• 解决量子非定域性（如贝尔定理所示）与相对论时空结构之间的张力。
• 确定在不依赖于对后向因果性假设的前提下，是否需要一个优选的洛伦兹参考系以实现一致的量子测量。
• 通过消除对无后向因果性的依赖，推广早期关于量子测量与优选参考系的结果。
• 确立排除禁止的因果环——即逻辑上不一致的 retrocausal 循环——将导致量子测量中必须存在一个优选参考系。

提出的方法

• 引入传递函数形式化方法，以建模具有经典输入和输出的量子系统动力学。
• 使用广义因果性概念分析量子测量过程中的因果结构，排除禁止的因果环。
• 放宽先前假设，不要求必须排除后向因果性，而是专注于因果环的逻辑一致性。
• 将该框架应用于具有经典输入和输出的量子系统，以表明仅允许一致的因果结构。
• 通过传递函数的数学分析，推导出测量过程中洛伦兹对称性被破坏的条件。
• 证明在这些约束条件下，唯一一致的量子测量模型都要求存在一个优选的洛伦兹参考系。

实验结果

研究问题

• RQ1 量子测量是否需要一个优选的洛伦兹参考系以维持一致的因果结构？
• RQ2 是否可以在不假设无后向因果性的前提下，推导出对优选参考系的需求？
• RQ3 禁止的因果环——即逻辑上不一致的 retrocausal 循环——对量子测量模型施加了何种约束？
• RQ4 传递函数形式化方法如何实现对量子系统中因果性更广泛的分析？
• RQ5 在不破坏洛伦兹对称性的前提下，量子非定域性在多大程度上能与狭义相对论共存？

主要发现

• 避免禁止的因果环——即逻辑上不一致的 retrocausal 循环——的量子测量过程，必然需要一个优选的洛伦兹参考系。
• 对优选参考系的需求并非源于后向因果性，而是源于排除不一致因果结构的需要。
• 传递函数形式化方法为分析具有经典输入和输出的量子系统中的因果性提供了一个通用框架。
• 该分析通过消除对无后向因果性的假设，推广了早期结果，使结论更具鲁棒性。
• 本文结论认为，由于因果一致性约束，洛伦兹对称性在量子测量中本质上是被破坏的。
• 优选参考系并非特定模型的产物，而是任何在给定因果约束下一致的量子测量理论的必要特征。