[论文解读] Wave Function Collapse and the No-Superluminal-Signaling Principle

Edward J. Gillis|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2015

Quantum Mechanics and Applications参考文献 80被引用 11

一句话总结

本文认为，为防止超光速信号传递，波函数坍缩必须是真实存在的、非定域的物理过程，且仅由非定域纠缠相互作用引发——具体而言，是那些获取信息的关联性相互作用。其核心贡献在于基于孤立系统中无法可重复地实例化信息（由于非定域性）这一事实，提出了一个物理化的无信号传递原理，进而构建了一个与相互作用势能相关的随机坍缩模型。

ABSTRACT

The assumption that wave function collapse is a real occurrence has very interesting consequences - both experimental and theoretical. Besides predicting observable deviations from linear evolution, it implies that these deviations must originate in nondeterministic effects at the elementary level in order to prevent superluminal signaling, as demonstrated by Gisin. This lack of determinism implies that information cannot be instantiated in a reproducible form in isolated microsystems (as illustrated by the No-cloning theorem). By stipulating that information is a reproducible and referential property of physical systems, one can formulate the no-signaling principle in strictly physical terms as a prohibition of the acquisition of information about spacelike-separated occurrences. This formulation provides a new perspective on the relationship between relativity and spacetime structure, and it imposes tight constraints on the way in which collapse effects are induced. These constraints indicate that wave function collapse results from (presumably small) nondeterministic deviations from linear evolution associated with nonlocally entangling interactions. This hypothesis can be formalized in a stochastic collapse equation and used to assess the feasibility of testing for collapse effects.

研究动机与目标

• 通过展示其偏离线性演化时的实证后果，证明波函数坍缩是一种可检验的物理现象，而非仅理论上的便利。
• 通过将无信号传递原理建立在信息实例化的物理限制之上，解决量子非定域性与相对论因果性之间的基础性矛盾。
• 证明坍缩不能由任意过程引发，而只能由获取信息的关联性相互作用引发，从而将坍缩与信息获取联系起来。
• 提出一种基于物理的随机坍缩模型，其中坍缩源于与相互作用势能和纠缠相关的微小、非定域的偏离。
• 表明该框架在保持相对论协变性的同时，可通过受控的纠缠相互作用实现实验可检验性。

提出的方法

• 将无信号传递原理表述为对时空分离事件信息获取的物理禁止，依据是未知量子态无法克隆的事实。
• 利用Gisin定理证明，任何基本层次的坍缩机制都必须是非定域的，以避免超光速信号传递。
• 引入一个与不可观测的类空超曲面 $ \sigma(s) $ 相关的全局序列参数 $ s $，在不破坏洛伦兹协变性的情况下对非定域坍缩事件进行时间排序。
• 构建一个随机坍缩方程，其中坍缩算符与相互作用势能除以总质量成正比，确保坍缩随纠缠程度而缩放。
• 通过将序列参数 $ s $ 与未知惯性系中的时间对齐，对非相对论性随机坍缩模型进行适应，以保持守恒定律。
• 将坍缩定义为仅在存储参考信息的关联性相互作用期间发生，从而防止在类空间分离区域之间产生信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 波函数坍缩是否可以是不违反无超光速信号传递原理的真实物理过程？
• RQ2 何种物理约束必须被坍缩机制满足，以防止在类空间分离区域之间产生信号？
• RQ3 如何以基本物理术语表述无信号传递原理，而独立于观察者或测量背景？
• RQ4 信息获取、纠缠与波函数坍缩的诱导之间存在何种关系？
• RQ5 能否构建一个与相对论和量子事件非定域性本质相容的随机坍缩模型？

主要发现

• 根据Gisin定理，为防止超光速信号传递，波函数坍缩在基本层次上必须是非定域的。
• 未知量子态不可克隆（No-cloning定理）意味着信息无法在孤立微观系统中可重复地实例化，从而对信息获取施加了物理限制。
• 坍缩不能由任意过程引发；它必须仅由存储参考信息的关联性相互作用触发，从而防止信号传递。
• 所提出的随机坍缩模型将坍缩与相互作用势能除以总质量相关联，确保坍缩随纠缠程度缩放，并与守恒定律保持一致。
• 尽管全局序列参数 $ s $ 不可观测，但它允许在不违反相对论变换性质的前提下，对非定域坍缩事件进行一致描述。
• 该框架提出可通过控制纠缠相互作用来测试坍缩效应的实验策略，尽管偏离线性行为仍难以观测。