[论文解读] The union of physics and information

Igor Devetak, Anne Staples|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2002

Quantum Mechanics and Applications参考文献 3被引用 1

一句话总结

本文通过将埃弗雷特的多世界理论结合系综制备重新诠释，统一了量子力学、热力学与信息论，引入定向纠缠以统一经典与量子通信作为纠缠传递。通过将物理经验视为知识态之间的关联，解决了封闭量子系统中热力学熵恒定的悖论，借助相关随机变量将量子基础与香农信息论联系起来。

ABSTRACT

A union of quantum mechanics, thermodynamics and information theory is presented. It is accomplished by reinterpreting the mathematical formalism of Everett’s many-worlds theory of quantum mechanics and augmenting it to include preparation according to a given ensemble. The notion of directed entanglement is introduced through which both classical and quantum communication over quantum channels are reduced to entanglement transfer. The paradox of constant thermodynamic entropy in a closed quantum system is resolved. The view taken in this Letter is that the totality of conceptual experience can be described in terms of correlated random variables. This will allow us to make contact with Shannon’s information theory [1] in which random variables are the carriers of information. Two protagonists sharing the same physical world is no more than classical correlations between the states of their knowledge regarding that world. Similarly, the observation of definite physical laws is no more than classical correlations between states of knowledge regarding two consecutive acts of measurement, or preparation and measurement, depending on the experiment. For instance, a ball kicked by Alice seen as obeying Newton’s deterministic laws of motion is merely a statement about the correlation

研究动机与目标

• 通过结合系综制备重新诠释埃弗雷特的多世界理论，统一量子力学、热力学与信息论。
• 通过将物理经验建模为知识态之间的关联，解决封闭量子系统中热力学熵恒定的悖论。
• 建立一个统一框架，使经典与量子通信均可通过定向纠缠简化为量子信道中的纠缠传递。
• 通过将物理定律与观测视为知识态之间关于准备与测量的古典关联，建立量子基础与香农信息论的联系。
• 提供一个概念框架，其中物理经验的总体可通过相关随机变量来描述。

提出的方法

• 通过引入给定系综的制备方式重新诠释埃弗雷特的多世界理论，将其形式化扩展以包含统计系综。
• 引入定向纠缠的概念，以建模量子信道中信息的流动，实现经典与量子通信的统一处理。
• 将物理观测建模为关于制备与测量结果的知识态之间的古典关联。
• 将概念性经验的总体形式化为相关随机变量，使香农信息论可直接应用于物理系统。
• 通过考察知识态中的关联分析封闭量子系统的热力学行为，从而解决熵恒定悖论。
• 利用相关知识框架重新诠释确定性定律（如牛顿定律）为测量结果之间关联的陈述。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在单一概念框架内正式统一量子力学、热力学与信息论？
• RQ2 系综制备在将埃弗雷特的多世界诠释扩展至包含统计与信息论结构中扮演何种角色？
• RQ3 定向纠缠如何实现对量子信道上经典与量子通信的统一描述？
• RQ4 为何在封闭量子系统中热力学熵看似恒定，这一现象在基于知识的框架中如何得以解决？
• RQ5 物理定律与观测在何种意义上可被理解为关于测量与制备的知识态之间的古典关联？

主要发现

• 通过将熵视为知识态之间关联的度量而非系统的内在属性，解决了封闭量子系统中熵恒定的悖论。
• 经典与量子通信在定向纠缠概念下得到统一，二者均可简化为量子信道中纠缠的传递。
• 对确定性物理定律（如牛顿定律）的观测可被解释为关于连续测量或制备与测量事件的知识态之间的古典关联。
• 该框架表明，物理经验的总体可使用相关随机变量来描述，从而可直接将香农信息论应用于量子基础研究。
• 通过结合系综制备重新诠释埃弗雷特理论，为连接量子力学与熵、关联等信息论概念提供了基础。
• 定向纠缠作为信息流动的关键机制浮现，使量子系统中信息传递的统一描述成为可能。