[论文解读] The quantum Cheshire Cat experiment of Denkmayr et al

W. M. Stuckey, Michael Silberstein+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2014

Atomic and Subatomic Physics Research被引用 1

一句话总结

本文挑战了Denkmayr等人2014年中子干涉实验中将结果解释为量子猫布丁（Cheshire Cat）现象的解读，即中子的自旋似乎与其粒子在空间上分离。本文表明，支持该解释的弱值因同时存在线性和二次磁相互作用而失效，从而破坏了对空间分离的本体论推断。

ABSTRACT

In a July 2014 Nature Communications paper, Denkmayr et al. claim to have instantiated so-called quantum Cheshire Cat experiment using neutron interferometry. Crucial to this claim are weak values which must imply quantum Cheshire Cat interpretation, i.e., the neutron and its spin are spatially separated in their experiment. While they measured correct weak values for quantum Cheshire Cat interpretation, corresponding implications do not obtain because, as we show, those weak values were measured with both a quadratic and a linear magnetic field Bz interaction. We show explicitly how those weak values imply quantum Cheshire Cat if Bz interaction is linear and then we show how quadratic Bz interaction destroys quantum Cheshire Cat implications of those weak values. Since both linear and quadratic Bz interactions contribute equally to neutron intensity in this experiment, deviant weak value implications are unavoidable. Because weak values were used successfully to compute neutron intensities for weak Bz in this experiment, it is clearly case that one cannot make ontological inferences from weak values without taking into account corresponding interaction strength.

研究动机与目标

• 批判性评估Denkmayr等人中子干涉实验中量子猫布丁解释的有效性。
• 识别线性和二次磁相互作用（Bz）在扭曲弱值推论中的作用。
• 证明线性和二次Bz相互作用共存会阻止从弱值中得出可靠的本体论推断。
• 阐明在何种条件下弱值可用于或不可用于推断量子系统的空间分离。

提出的方法

• 在存在混合Bz相互作用的中子干涉实验背景下分析弱值形式体系。
• 推导线性和二次Bz项对中子哈密顿量及弱值的贡献。
• 比较纯线性与线性与二次Bz相互作用共存时的弱值预测。
• 评估两种相互作用类型对中子强度的影响程度相同，从而否定仅依赖弱值进行解释的可靠性。
• 运用量子测量理论表明，若不了解相互作用强度，仅靠弱值无法确定本体论意义上的空间分离。
• 将弱值形式体系应用于实验设置，以分离每种Bz相互作用分量的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 Denkmayr等人实验中的弱值能否可靠支持量子猫布丁解释？
• RQ2 线性和二次磁相互作用（Bz）如何共同影响弱值及其物理解释？
• RQ3 为何即使测量正确，所观测到的弱值仍无法暗示中子与自旋之间存在空间分离？
• RQ4 在何种条件下可利用弱值推断量子系统中的本体论空间分离？
• RQ5 相互作用强度在决定基于弱值推断的有效性方面起什么作用？

主要发现

• Denkmayr等人实验中测得的弱值仅在Bz相互作用为纯线性时才与量子猫布丁解释一致。
• 二次Bz相互作用分量的存在使弱值所暗示的空间分离本体论推断失效。
• 线性和二次Bz相互作用对中子强度的贡献相等，因此无法分离出猫布丁效应。
• 实验中的弱值无法在未考虑完整相互作用哈密顿量的情况下用于推断空间分离。
• 本研究结论为：仅靠弱值不足以做出本体论断言；必须明确考虑相互作用强度和形式。
• 未能区分线性和二次贡献，导致无法成立地主张中子与其自旋在空间上分离。