Quantum foundations

Quantum foundations är en vetenskapsdisciplin som försöker förstå de mest kontraintuitiva aspekterna av kvantteorin , omformulera den och till och med föreslå nya generaliseringar av den. I motsats till andra fysikaliska teorier, såsom allmän relativitet , är kvantteorins definierande axiom ganska ad hoc , utan någon uppenbar fysisk intuition. Även om de leder till rätt experimentella förutsägelser, kommer de inte med en mental bild av världen där de passar.

Det finns olika tillvägagångssätt för att lösa denna konceptuella klyfta:

  • För det första kan man sätta kvantfysik i motsats till klassisk fysik: genom att identifiera scenarier, som Bell-experiment , där kvantteorin radikalt avviker från klassiska förutsägelser, hoppas man få fysiska insikter om kvantfysikens struktur.
  • För det andra kan man försöka hitta en ny härledning av kvantformalismen i termer av operationella axiom.
  • För det tredje kan man söka efter en fullständig överensstämmelse mellan de matematiska elementen i kvantramverket och fysiska fenomen: varje sådan överensstämmelse kallas en tolkning .
  • För det fjärde kan man helt och hållet avstå från kvantteorin och föreslå en annan modell av världen.

Forskning i kvantfundament är strukturerad längs dessa vägar.

Icke-klassiska drag av kvantteorin

Quantum icke-lokalitet

Huvudartikel: Quantum nonlocality

Två eller flera separata parter som utför mätningar över ett kvanttillstånd kan observera korrelationer som inte kan förklaras med någon lokal teori om dolda variabler . Huruvida detta ska ses som ett bevis på att den fysiska världen i sig är "icke-lokal" är ett ämne för debatt, men terminologin för "quantum nonlocality" är vanligt förekommande. Icke-lokalitetsforskningsinsatser i kvantstiftelser fokuserar på att bestämma de exakta gränserna som klassisk eller kvantfysik tvingar fram de korrelationer som observerats i ett Bell-experiment eller mer komplexa orsaksscenarier. Detta forskningsprogram har hittills gett en generalisering av Bells teorem som gör det möjligt att falsifiera alla klassiska teorier med ett superluminalt, men ändå ändligt, dolt inflytande.

Kvantkontextualitet

Huvudartikel: Kvantkontextualitet

Icke-lokalitet kan förstås som en instans av kvantkontextualitet . En situation är kontextuell när värdet av en observerbar beror på sammanhanget i vilken den mäts (nämligen på vilka andra observerbara objekt som också mäts). Den ursprungliga definitionen av mätkontextualitet kan utvidgas till tillståndsförberedelser och till och med allmänna fysiska transformationer.

Epistemiska modeller för kvantvågsfunktionen

En fysisk egenskap är epistemisk när den representerar vår kunskap eller övertygelse om värdet av en andra, mer grundläggande egenskap. Sannolikheten för att en händelse inträffar är ett exempel på en epistemisk egenskap. Däremot fångar en icke-epistemisk eller ontisk variabel uppfattningen om en "verklig" egenskap hos det aktuella systemet.

Det pågår en debatt om huruvida vågfunktionen representerar det epistemiska tillståndet för en ännu inte upptäckt ontisk variabel eller tvärtom, den är en fundamental enhet. Under vissa fysiska antaganden Pusey-Barrett-Rudolphs (PBR) teoremet inkonsekvensen av kvanttillstånd som epistemiska tillstånd, i den mening som ovan. Observera att i QBism och Köpenhamnstyp betraktas kvanttillstånd fortfarande som epistemiska, inte med avseende på någon ontisk variabel, utan till ens förväntningar om framtida experimentella resultat. PBR-satsen utesluter inte sådana epistemiska synpunkter på kvanttillstånd.

Axiomatiska rekonstruktioner

Några av de kontraintuitiva aspekterna av kvantteorin, såväl som svårigheten att utöka den, följer av det faktum att dess definierande axiom saknar en fysisk motivation. Ett aktivt forskningsområde inom kvantfundament är därför att hitta alternativa formuleringar av kvantteorin som bygger på fysiskt tvingande principer. Dessa ansträngningar kommer i två varianter, beroende på den önskade nivån av beskrivning av teorin: den så kallade generaliserade probabilistiska teorins tillvägagångssätt och den svarta lådans ansats.

Ramen för generaliserade sannolikhetsteorier

Huvudartikel: Generaliserade probabilistiska teorier

Generaliserade sannolikhetsteorier (GPT) är ett allmänt ramverk för att beskriva de operativa egenskaperna hos godtyckliga fysikaliska teorier. I huvudsak ger de en statistisk beskrivning av alla experiment som kombinerar tillståndsförberedelser, transformationer och mätningar. Ramverket för GPT:er kan rymma klassisk och kvantfysik, såväl som hypotetiska icke-kvantfysikaliska teorier som ändå har kvantteorins mest anmärkningsvärda egenskaper, såsom intrassling eller teleportation. Noterbart är en liten uppsättning fysiskt motiverade axiom tillräckligt för att peka ut GPT-representationen av kvantteorin.

L. Hardy introducerade konceptet GPT 2001, i ett försök att härleda om kvantteorin från grundläggande fysiska principer. Även om Hardys arbete var mycket inflytelserik (se uppföljningarna nedan), ansågs ett av hans axiom vara otillfredsställande: det föreskrev att av alla fysikaliska teorier som var förenliga med resten av axiomen, skulle man välja den enklaste. Brukners arbete eliminerade detta "axiom av enkelhet" och gav en rekonstruktion av kvantteorin baserad på tre fysiska principer. Detta följdes av den mer rigorösa rekonstruktionen av Masanes och Müller.

Axiom gemensamma för dessa tre rekonstruktioner är:

  • Subrymds axiom: system som kan lagra samma mängd information är fysiskt ekvivalenta.
  • Lokal tomografi: för att karakterisera tillståndet för ett sammansatt system räcker det att utföra mätningar vid varje del.
  • Reversibilitet: för alla två extrema tillstånd [dvs tillstånd som inte är statistiska blandningar av andra tillstånd], finns det en reversibel fysisk transformation som mappar det ena till det andra.

En alternativ GPT-rekonstruktion föreslagen av Chiribella et al. ungefär samtidigt är också baserad på

  • Reningsaxiom: för varje tillstånd i ett fysiskt system A finns det ett tvådelat fysiskt system och ett extremt tillstånd (eller rening) så att är begränsningen av till system . Dessutom kan vilka två sådana reningar av mappas till varandra via en reversibel fysisk transformation på system .

Användningen av rening för att karakterisera kvantteorin har kritiserats med motiveringen att den även gäller i Spekkens leksaksmodell .

Till framgången för GPT-metoden kan det motverkas att alla sådana verk bara återställer finitdimensionell kvantteori. Dessutom kan inget av de tidigare axiomen experimentellt förfalskas om inte mätapparaterna antas vara tomografiskt kompletta .

Kategorisk kvantmekanik eller processteorier

Huvudartikel: Kategorisk kvantmekanik

Kategorisk kvantmekanik (CQM) eller processteorier är ett allmänt ramverk för att beskriva fysikaliska teorier, med tonvikt på processer och deras sammansättningar. Det var pionjärer av Samson Abramsky och Bob Coecke . Förutom dess inflytande i kvantfunderingar, framför allt användningen av en diagrammatisk formalism, spelar CQM också en viktig roll i kvantteknologier, framför allt i form av ZX-kalkyl . Den har också använts för att modellera teorier utanför fysiken, till exempel DisCoCats kompositionsmodell för naturligt språk.

Ramen av svarta lådor

Huvudartikel: Quantum nonlocality

I den svarta lådan eller det enhetsoberoende ramverket betraktas ett experiment som en svart låda där experimentisten introducerar en input (typ av experiment) och får en utgång (resultatet av experimentet). Experiment utförda av två eller flera parter i separata labb beskrivs därför enbart av deras statistiska korrelationer.

Från Bells teorem vet vi att klassisk fysik och kvantfysik förutsäger olika uppsättningar av tillåtna korrelationer. Det förväntas därför att långt ifrån kvantfysikaliska teorier bör förutsäga korrelationer bortom kvantmängden. Det finns faktiskt fall av teoretiska icke-kvantkorrelationer som a priori inte verkar fysiskt osannolika. Syftet med enhetsoberoende rekonstruktioner är att visa att alla sådana supra-kvantexempel är uteslutna av en rimlig fysisk princip.

De fysiska principerna som hittills föreslagits inkluderar ingen signalering, icke-trivial kommunikationskomplexitet, ingen fördel för icke-lokal beräkning, informationskausalitet , makroskopisk lokalitet och lokal ortogonalitet. Alla dessa principer begränsar uppsättningen av möjliga korrelationer på icke-triviala sätt. Dessutom är de alla enhetsoberoende: det betyder att de kan förfalskas under antagandet att vi kan avgöra om två eller flera händelser är rymdliknande åtskilda. Nackdelen med det anordningsoberoende tillvägagångssättet är att, även när de tas tillsammans, räcker inte alla ovannämnda fysikaliska principer för att peka ut mängden kvantkorrelationer. Med andra ord: alla sådana rekonstruktioner är partiella.

Tolkning av kvantteorin

Huvudartikel: Tolkningar av kvantmekanik

En tolkning av kvantteorin är en överensstämmelse mellan elementen i dess matematiska formalism och fysiska fenomen. Till exempel, i pilotvågsteorin, tolkas kvantvågsfunktionen som ett fält som styr partikelbanan och utvecklas med den via ett system av kopplade differentialekvationer . De flesta tolkningar av kvantteorin härrör från önskan att lösa kvantmätningsproblemet .

Utvidgningar av kvantteorin

I ett försök att förena kvant och klassisk fysik, eller att identifiera icke-klassiska modeller med en dynamisk kausal struktur, har vissa modifieringar av kvantteorin föreslagits.

Kollaps modeller

Kollapsmodeller antyder att det finns naturliga processer som periodiskt lokaliserar vågfunktionen. Sådana teorier ger en förklaring till att det inte finns superpositioner av makroskopiska objekt, till priset av att överge enhetlighet och exakt energibesparing .

Kvantmåttteori

I Sorkins kvantmåttteori (QMT), modelleras fysiska system inte via enhetliga strålar och hermitiska operatorer, utan genom ett enda matrisliknande objekt, dekoherensen funktionell. Posterna i dekoherensfunktionen bestämmer möjligheten att experimentellt skilja mellan två eller flera olika uppsättningar av klassiska historier, såväl som sannolikheterna för varje experimentellt resultat. I vissa modeller av QMT är dekoherensfunktionen ytterligare begränsad till att vara positiv semidefinit (stark positivitet). Även under antagandet om stark positivitet, finns det modeller av QMT som genererar starkare-än-kvant-Bell-korrelationer.

Akausala kvantprocesser

Formalismen hos processmatriser utgår från observationen att, givet strukturen av kvanttillstånd, följer uppsättningen av genomförbara kvantoperationer från positivitetsöverväganden. För vilken linjär karta som helst från tillstånd till sannolikheter kan man nämligen hitta ett fysiskt system där denna karta motsvarar en fysisk mätning. På samma sätt motsvarar varje linjär transformation som mappar sammansatta tillstånd till tillstånd en giltig operation i något fysiskt system. Med tanke på denna trend är det rimligt att postulera att varje högordningskarta från kvantinstrument (nämligen mätprocesser) till sannolikheter också bör vara fysiskt realiserbar. Varje sådan karta kallas en processmatris. Som framgår av Oreshkov et al. beskriver vissa processmatriser situationer där föreställningen om global kausalitet brister.

Utgångspunkten för detta påstående är följande mentala experiment: två parter, Alice och Bob, går in i en byggnad och hamnar i separata rum. Rummen har ingående och utgående kanaler från vilka ett kvantsystem periodvis kommer in och lämnar rummet. Medan dessa system är i labbet kan Alice och Bob interagera med dem på alla sätt; i synnerhet kan de mäta några av sina egenskaper.

Eftersom Alice och Bobs interaktioner kan modelleras av kvantinstrument, ges statistiken de observerar när de använder ett eller annat instrument av en processmatris. Som det visar sig finns det processmatriser som skulle garantera att mätstatistiken som samlas in av Alice och Bob är inkompatibel med Alice som interagerar med hennes system samtidigt, före eller efter Bob, eller någon konvex kombination av dessa tre situationer. Sådana processer kallas acausala.

Se även

  1. ^ Bell, JS (1964). "Om Einstein Podolsky Rosen-paradoxen" (PDF) . Fysik Fysik Физика . 1 (3): 195–200. doi : 10.1103/PhysicsPhysiqueFizika.1.195 .
  2. ^   Mermin, N. David (juli 1993). "Gömda variabler och John Bells två satser". Recensioner av modern fysik . 65 (3): 803–15. arXiv : 1802.10119 . Bibcode : 1993RvMP...65..803M . doi : 10.1103/RevModPhys.65.803 . S2CID 119546199 .
  3. ^   Werner, RF (2014). "Kommentera 'Vad Bell gjorde'" . Journal of Physics A . 47 (42): 424011. Bibcode : 2014JPhA...47P4011W . doi : 10.1088/1751-8113/47/42/424011 . S2CID 122180759 .
  4. ^   Żukowski, M.; Brukner, Č. (2014). "Quantum non-locality - det är inte nödvändigtvis så...". Journal of Physics A . 47 (42): 424009. arXiv : 1501.04618 . doi : 10.1088/1751-8113/47/42/424009 . S2CID 119220867 .
  5. ^ Fritz, T. (2012). "Beyond Bell's Theorem: Correlations Scenarios" . New Journal of Physics . 14 (10): 103001. arXiv : 1206.5115 . Bibcode : 2012NJPh...14j3001F . doi : 10.1088/1367-2630/14/10/103001 .
  6. ^ Bancal, Jean-Daniel; Pironio, Stefano; Acín, Antonio; Liang, Yeong-Cherng; Scarani, Valerio; Gisin, Nicolas (2012). "Quantum nonlocality baserad på ändlig hastighet orsakspåverkan leder till superluminal signalering" . Naturfysik . 8 (12): 867–870. arXiv : 1110.3795 . Bibcode : 2012NatPh...8..867B . doi : 10.1038/nphys2460 .
  7. ^   Spekkens, RW (2005). "Kontextualitet för förberedelser, transformationer och oskarpa mätningar". Fysisk granskning A . 71 (5): 052108. arXiv : quant-ph/0406166 . Bibcode : 2005PhRvA..71e2108S . doi : 10.1103/PhysRevA.71.052108 . S2CID 38186461 .
  8. ^   Harrisan, N.; RW Spekkens (2010). "Einstein, ofullständighet och den epistemiska synen på kvantstater". Fysikens grunder . 40 (2): 125–157. arXiv : 0706.2661 . Bibcode : 2010FoPh...40..125H . doi : 10.1007/s10701-009-9347-0 . S2CID 32755624 .
  9. ^   Pusey, MF; Barrett, J.; Rudolph, T. (2012). "Om kvanttillståndets verklighet". Naturfysik . 8 (6): 475–478. arXiv : 1111.3328 . Bibcode : 2012NatPh...8..476P . doi : 10.1038/nphys2309 . S2CID 14618942 .
  10. ^ Fuchs, CA (2010). "QBism, omkretsen av Quantum Bayesianism". arXiv : 1003.5209 [ quant-ph ].
  11. ^   Schlosshauer, M.; Kofler, J.; Zeilinger, A. (2013). "En ögonblicksbild av grundläggande attityder mot kvantmekanik". Studier i historia och vetenskapsfilosofi del B . 44 (3): 222–230. arXiv : 1301.1069 . Bibcode : 2013SHPMP..44..222S . doi : 10.1016/j.shpsb.2013.04.004 . S2CID 55537196 .
  12. ^ Barnum, H.; Barrett, J.; Leifer, M.; Wilce, A. (2012). S. Abramsky och M. Mislove (red.). Teleportation in General Probabilistic Theories . AMS Proceedings of Symposia in Applied Mathematics. American Mathematical Society , Providence.
  13. ^ a b Hardy, L. (2001). "Kvanteori från fem rimliga axiom". arXiv : quant-ph/0101012 .
  14. ^ a b Dakic, B.; Brukner, Č. (2011). "Quantum Theory and Beyond: Is Entanglement Special?". I H. Halvorson (red.). Deep Beauty: Att förstå kvantvärlden genom matematisk innovation . Cambridge University Press. s. 365–392.
  15. ^   Masanes, L.; Müller, M. (2011). "En härledning av kvantteorin från fysiska krav". New Journal of Physics . 13 (6): 063001. arXiv : 1004.1483 . Bibcode : 2011NJPh...13f3001M . doi : 10.1088/1367-2630/13/6/063001 . S2CID 4806946 .
  16. ^   Chiribella, G.; D'Ariano, GM; Perinotti, P. (2011). "Informationell härledning av kvantteorin". Phys. Rev. A. 84 (1): 012311. arXiv : 1011.6451 . Bibcode : 2011PhRvA..84a2311C . doi : 10.1103/PhysRevA.84.012311 . S2CID 15364117 .
  17. ^    D'Ariano, GM; Chiribella, G.; Perinotti, P. (2017). Quantum Theory from First Principles: An Informational Approach . Cambridge University Press. ISBN 9781107338340 . OCLC 972460315 .
  18. ^   Appleby, M.; Fuchs, CA; Stacey, BC; Zhu, H. (2017). "Vi introducerar Qplex: en ny arena för kvantteori". European Physical Journal D . 71 (7): 197. arXiv : 1612.03234 . Bibcode : 2017EPJD...71..197A . doi : 10.1140/epjd/e2017-80024-y . S2CID 119240836 .
  19. ^    Coecke, Bob; Kissinger, Aleks (2017). Att föreställa kvantprocesser: en första kurs i kvantteori och schematiska resonemang . Cambridge, Storbritannien: Cambridge University Press. ISBN 978-1-316-21931-7 . OCLC 983730394 .
  20. ^   Rastall, Peter (1985). "Lokalitet, Bells teorem och kvantmekanik". Fysikens grunder . 15 (9): 963–972. Bibcode : 1985FoPh...15..963R . doi : 10.1007/bf00739036 . S2CID 122298281 .
  21. ^ Khalfin, LA; Tsirelson, BS (1985). Lahtis; et al. (red.). Kvant- och kvasiklassiska analoger av Bell-ojämlikheter . Symposium om grunderna för modern fysik. World Sci. Publ. s. 441–460.
  22. ^ a b   Popescu, S.; Rohrlich, D. (1994). "Icke-lokalitet som axiom". Fysikens grunder . 24 (3): 379–385. doi : 10.1007/BF02058098 . S2CID 120333148 .
  23. ^    Brassard, G; Buhrman, H; Linden, N; Methot, AA; Tapp, A; Unger, F (2006). "Begränsning av icke-lokalitet i vilken värld som helst där kommunikationskomplexitet inte är trivial". Fysiska granskningsbrev . 96 (25): 250401. arXiv : quant-ph/0508042 . Bibcode : 2006PhRvL..96y0401B . doi : 10.1103/PhysRevLett.96.250401 . PMID 16907289 . S2CID 6135971 .
  24. ^   Linden, N.; Popescu, S.; Kort, AJ; Winter, A. (2007). "Quantum Nonlocality and Beyond: Limits from Nonlocal Computation". Fysiska granskningsbrev . 99 (18): 180502. arXiv : quant-ph/0610097 . Bibcode : 2007PhRvL..99r0502L . doi : 10.1103/PhysRevLett.99.180502 . PMID 17995388 .
  25. ^    Pawlowski, M.; Paterek, T.; Kaszlikowski, D.; Scarani, V.; Winter, A.; Zukowski, M. (oktober 2009). "Informationskausalitet som en fysisk princip". Naturen . 461 (7267): 1101–1104. arXiv : 0905.2292 . Bibcode : 2009Natur.461.1101P . doi : 10.1038/nature08400 . PMID 19847260 . S2CID 4428663 .
  26. ^ Navascués, M.; H. Wunderlich (2009). "En blick bortom kvantmodellen" . Proc. R. Soc. A . 466 (2115): 881–890. doi : 10.1098/rspa.2009.0453 .
  27. ^    Fritz, T.; Sainz, AB; Augustiak, R.; Brask, JB; Chaves, R.; Leverrier, A.; Acín, A. (2013). "Lokal ortogonalitet som en flerdelad princip för kvantkorrelationer". Naturkommunikation . 4 : 2263. arXiv : 1210.3018 . Bibcode : 2013NatCo...4.2263F . doi : 10.1038/ncomms3263 . PMID 23948952 . S2CID 14759956 .
  28. ^    Navascués, M.; Guryanova, Y.; Hoban, MJ; Acín, A. (2015). "Nästan kvantkorrelationer". Naturkommunikation . 6 : 6288. arXiv : 1403.4621 . Bibcode : 2015NatCo...6.6288N . doi : 10.1038/ncomms7288 . PMID 25697645 . S2CID 12810715 .
  29. ^   Ghirardi, GC; A. Rimini; T. Weber (1986). "Enad dynamik för mikroskopiska och makroskopiska system". Fysisk granskning D . 34 (2): 470–491. Bibcode : 1986PhRvD..34..470G . doi : 10.1103/PhysRevD.34.470 . PMID 9957165 .
  30. ^   Sorkin, RD (1994). "Kvantmekanik som kvantmåttteori". Mod. Phys. Lett. A . 9 (33): 3119–3128. arXiv : gr-qc/9401003 . Bibcode : 1994MPLA....9.3119S . doi : 10.1142/S021773239400294X . S2CID 18938710 .
  31. ^ Dowker, F. ; Henson, J.; Wallden, P. (2014). "Ett historieperspektiv på att karakterisera kvant-icke-lokalitet" . New Journal of Physics . 16 (3): 033033. Bibcode : 2014NJPh...16c3033D . doi : 10.1088/1367-2630/16/3/033033 .
  32. ^ a b c    Oreshkov, O.; Costa, F.; Brukner, C. (2012). "Kvantkorrelationer utan kausal ordning" . Naturkommunikation . 3 : 1092–. arXiv : 1105.4464 . Bibcode : 2012NatCo...3.1092O . doi : 10.1038/ncomms2076 . PMC 3493644 . PMID 23033068 .
Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Quantum_foundations&oldid=1113939500 "