[论文解读] Qubits are not observers -- a no-go theorem

Časlav Brukner|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2021

Quantum Mechanics and Applications参考文献 21被引用 26

一句话总结

这篇论文在关系量子力学（RQM）中证明了一个不成立的定理，表明相对于观察者对系统的描述不能等同于对观察者的常规知识，因为相对态中的基底依赖性歧义。

ABSTRACT

The relational approach to quantum states asserts that the physical description of quantum systems is always relative to something or someone. In relational quantum mechanics (RQM) it is relative to other quantum systems, in the (neo-)Copenhagen interpretation of quantum theory to measurement contexts, and in QBism to the beliefs of the agents. In contrast to the other two interpretations, in RQM any interaction between two quantum systems counts as a "measurement", and the terms "observer" and "observed system" apply to arbitrary systems. We show, in the form of a no-go theorem, that in RQM the physical description of a system relative to an observer cannot represent knowledge about the observer in the conventional sense of this term. The problem lies in the ambiguity in the choice of the basis with respect to which the relative states are to be defined in RQM. In interpretations of quantum theory where observations play a fundamental role, the problem does not arise because the experimental context defines a preferred basis.

研究动机与目标

• 澄清相对另一个系统如何定义关系量子态。
• 证明将观测者相对态解释为关于观测者的知识时的一致性约束（no-go）。
• 识别偏好基的作用以及它如何限制RQM中的关系知识。
• 在对待观测的方式上，将RQM与neo-Copenhagen和QBism区分开来。

提出的方法

• 分析系统S和观察者O之间的双部纠缠态。
• 引入Definite Relative State (DefRS) 和 Distinct Relative States (DisRS) 假设。
• 在联合态下，DefRS和DisRS由于基底依赖性而导致不一致。
• 用两种不同的基底表示同一个联合态，以揭示偏好基的歧义。
• 论证一个偏好基（例如宏观测量基）可以解决歧义，使之与Neo-Copenhagen/QBism保持一致。
• 结论：RQM不能一致地将关系态作为关于观察者的知识。

实验结果

研究问题

• RQ1 按照RQM所定义的系统相对态，是否可以按常规意义被解释为关于观察者的知识？
• RQ2 在表达联合系统-观察者态时自由选择不同基底是否会导致观察者据称所知的内容不一致？
• RQ3 是否存在一个偏好基能够消除歧义并使RQM与其他解释保持一致？
• RQ4 去相干和宏观测量情境如何影响关系量子力学框架？
• RQ5 关系态与观察者基于观测的解释（如neo-Copenhagen和QBism）之间有何区别？

主要发现

• 一个不成立的定理表明DefRS和DisRS在量子力学中不能同时成立。
• 同一联合态的不同基底表示产生的观察者知识不是正交的，阻碍了复制或无条件用于行动。
• 若没有偏好基，RQM允许多种非正交的观察者知识态，削弱了对观察者的传统知识。
• 偏好基的存在（如在去卷积支撑或基于测量的情境中）避免不一致，与neo-Copenhagen和QBism保持一致。
• 在不违反关于知识和可区分性的基本假设的前提下，量子比特不能在RQM中充当观察者的角色。