Enhver konsekvent kobling mellem klassisk tyngdekraft og kvantestof er grundlæggende irreversibel

Genudgivet af Platon

Abonnenter: 0

Thomas D. Galley¹, Flaminia Giacomini²og John H. Selby³

¹Institut for kvanteoptik og kvanteinformation, Østrigske Videnskabsakademi, Boltzmanngasse 3, 1090 Wien, Østrig
²Institut for Teoretisk Fysik, ETH Zürich, 8093 Zürich, Schweiz
³ICTQT, University of Gdańsk, Wita Stwosza 63, 80-308 Gdańsk, Polen

Finder du denne artikel interessant eller vil du diskutere? Scite eller efterlade en kommentar på SciRate.

Abstrakt

Når tyngdekraften stammer fra et kvantesystem, er der spænding mellem dets rolle som formidler af en fundamental interaktion, som forventes at tilegne sig ikke-klassiske træk, og dens rolle i at bestemme rumtidens egenskaber, som i sagens natur er klassisk. Grundlæggende burde denne spænding resultere i at bryde et af de grundlæggende principper for kvanteteori eller generel relativitet, men det er normalt svært at vurdere hvilken uden at ty til en specifik model. Her besvarer vi dette spørgsmål på en teoriuafhængig måde ved hjælp af General Probabilistic Theories (GPT'er). Vi betragter tyngdefeltets vekselvirkninger med et enkelt stofsystem og udleder en no-go-sætning, der viser, at når tyngdekraften er klassisk skal mindst en af følgende antagelser overtrædes: (i) Materiens frihedsgrader beskrives af fuldt ud ikke-klassiske frihedsgrader; (ii) Interaktioner mellem stof frihedsgrader og gravitationsfeltet er reversible; (iii) Materielle frihedsgrader tilbagereagerer på gravitationsfeltet. Vi hævder, at dette indebærer, at teorier om klassisk gravitation og kvantestof skal være grundlæggende irreversible, som det er tilfældet i den nyere model af Oppenheim et al. Hvis vi omvendt kræver, at interaktionen mellem kvantestof og gravitationsfeltet er reversibel, så skal gravitationsfeltet være ikke-klassisk.

Populært resumé

Et centralt spørgsmål i moderne fysik er, hvordan man forener kvanteteori og generel relativitet. Historisk er der blevet fremført mange argumenter, der hævder, at forening af de to teorier kun kan opnås ved at kvantisere gravitationsfeltet, og faktisk forsøger de fleste tilgange til forening at gøre det. I dette papir viser vi, at eksisterende argumenter for kvantificering af gravitationsfeltet gør vigtige underliggende antagelser såsom reversibilitet af interaktioner og muligheden for at forberede kvantesuperpositionstilstande. Vi beviser en sætning, som ikke afhænger af nogen teoretisk beskrivelse af tyngdekraften og stof, som viser, at enhver konsekvent kobling mellem klassisk tyngdekraft og fuldt kvantestof skal være irreversibel. Dette viser, at konsistenskrav alene ikke dikterer, at tyngdekraften skal kvantiseres, og desuden skal ethvert forsøg på at forene klassisk tyngdekraft og fuldt kvantestof nødvendigvis have irreversible interaktioner mellem stof og gravitationsfeltet.

► BibTeX-data

@article{Galley2023anyconsistent, doi = {10.22331/q-2023-10-16-1142}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2023-10-16-1142}, title = {Any consistent kobling mellem klassisk tyngdekraft og kvantestof er grundlæggende irreversibel}, forfatter = {Galley, Thomas D. og Giacomini, Flaminia og Selby, John H.}, tidsskrift = {{Quantum}}, issn = {2521-327X}, udgiver = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, bind = {7}, sider = {1142}, måned = okt, år = {2023} }

► Referencer

[1] M Bahrami, A Bassi, S McMillen, M Paternostro og H Ulbricht. "Er tyngdekraften kvante?" (2015). arXiv:1507.05733.
arXiv: 1507.05733

[2] Charis Anastopoulos og Bei-Lok Hu. "Undersøge en gravitationel kattetilstand". Klasse. Kvant. Grav. 32, 165022 (2015).
https://doi.org/10.1088/0264-9381/32/16/165022

[3] Sougato Bose, Anupam Mazumdar, Gavin W Morley, Hendrik Ulbricht, Marko Toroš, Mauro Paternostro, Andrew A Geraci, Peter F Barker, MS Kim og Gerard Milburn. "Spin forviklingsvidne for kvantetyngdekraft". Phys. Rev. Lett. 119, 240401 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.240401

[4] Chiara Marletto og Vlatko Vedral. "Gravitationelt induceret sammenfiltring mellem to massive partikler er tilstrækkeligt bevis på kvanteeffekter i tyngdekraften". Phys. Rev. Lett. 119, 240402 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.240402

[5] Chiara Marletto og Vlatko Vedral. "Hvorfor skal vi kvantificere alt, inklusive tyngdekraften". npj Quantum Information 3, 1–5 (2017).
https://doi.org/10.1038/s41534-017-0028-0

[6] Matteo Carlesso, Mauro Paternostro, Hendrik Ulbricht og Angelo Bassi. "Når Cavendish møder Feynman: En kvantetorsionsbalance til at teste tyngdekraftens kvantekraft" (2017). arXiv:1710.08695.
arXiv: 1710.08695

[7] Michael JW Hall og Marcel Reginatto. "Om to nylige forslag til at være vidne til ikke-klassisk tyngdekraft". J. Phys. A 51, 085303 (2018).
https://doi.org/10.1088/1751-8121/aaa734

[8] Chiara Marletto og Vlatko Vedral. "Hvornår kan tyngdekraftsbanen sammenfiltre to rumligt overlejrede masser?". Phys. Rev. D 98, 046001 (2018).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevD.98.046001

[9] Alessio Belenchia, Robert M Wald, Flaminia Giacomini, Esteban Castro-Ruiz, Časlav Brukner og Markus Aspelmeyer. "Kvanteoverlejring af massive objekter og kvantisering af tyngdekraften". Phys. Rev. D 98, 126009 (2018).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevD.98.126009

[10] Alessio Belenchia, Robert M Wald, Flaminia Giacomini, Esteban Castro-Ruiz, Časlav Brukner og Markus Aspelmeyer. "Informationsindhold af gravitationsfeltet i en kvantesuperposition". Int. J. Mod. Phys. D 28, 1943001 (2019).
https:///doi.org/10.1142/S0218271819430016

[11] Marios Christodoulou og Carlo Rovelli. "Om muligheden for laboratoriebevis for kvantesuperposition af geometrier". Phys. Lett. B 792, 64-68 (2019).
https:///doi.org/10.1016/j.physletb.2019.03.015

[12] Charis Anastopoulos og Bei-Lok Hu. "Kvanteoverlejring af to gravitationelle kattetilstande". Klasse. Kvant. Grav. 37, 235012 (2020).
https://doi.org/10.1088/1361-6382/abbe6f

[13] Richard Howl, Vlatko Vedral, Devang Naik, Marios Christodoulou, Carlo Rovelli og Aditya Iyer. "Ikke-gaussianitet som signatur på en kvanteteori om tyngdekraft". PRX Quantum 2, 010325 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.2.010325

[14] Ryan J Marshman, Anupam Mazumdar og Sougato Bose. "Lokalitet og sammenfiltring i bord-top-test af kvantenaturen af lineariseret tyngdekraft". Phys. Rev. A 101, 052110 (2020).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.101.052110

[15] Hadrien Chevalier, AJ Paige og MS Kim. "At vidne til tyngdekraftens ikke-klassiske natur i nærvær af ukendte interaktioner". Phys. Rev. A 102, 022428 (2020). arXiv:2005.13922.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.102.022428
arXiv: 2005.13922

[16] Tanjung Krisnanda, Guo Yao Tham, Mauro Paternostro og Tomasz Paterek. "Observerbar kvantesammenfiltring på grund af tyngdekraften". npj Quantum Information 6, 1–6 (2020).
https:///doi.org/10.1038/s41534-020-0243-y

[17] Chiara Marletto og Vlatko Vedral. "At vidne til ikke-klassicitet ud over kvanteteorien". Phys. Rev. D 102, 086012 (2020).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevD.102.086012

[18] Thomas D. Galley, Flaminia Giacomini og John H. Selby. "En no-go-sætning om karakteren af gravitationsfeltet ud over kvanteteorien". Quantum 6, 779 (2022).
https://doi.org/10.22331/q-2022-08-17-779

[19] Soham Pal, Priya Batra, Tanjung Krisnanda, Tomasz Paterek og TS Mahesh. "Eksperimentel lokalisering af kvanteforviklinger gennem overvåget klassisk mediator". Quantum 5, 478 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-06-17-478

[20] Daniel Carney, Holger Müller og Jacob M. Taylor. "Brug af et atominterferometer til at udlede generering af gravitationel sammenfiltring". PRX Quantum 2, 030330 (2021). arXiv:2101.11629.
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.2.030330
arXiv: 2101.11629

[21] Kirill Streltsov, Julen Simon Pedernales og Martin Bodo Plenio. "Om betydningen af interferometriske genoplivninger for den grundlæggende beskrivelse af tyngdekraften". Univers 8 (2022).
https://doi.org/10.3390/universe8020058

[22] Daine L. Danielson, Gautam Satishchandran og Robert M. Wald. "Gravitationsmedieret sammenfiltring: Newtonsk felt versus gravitoner". Phys. Rev. D 105, 086001 (2022). arXiv:2112.10798.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevD.105.086001
arXiv: 2112.10798

[23] Adrian Kent og Damián Pitalúa-García. "At teste rumtidens ikke-klassicitet: Hvad kan vi lære af Bell-Bose et al.-Marletto-Vedral-eksperimenter?". Phys. Rev. D 104, 126030 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevD.104.126030

[24] Marios Christodoulou, Andrea Di Biagio, Markus Aspelmeyer, Časlav Brukner, Carlo Rovelli og Richard Howl. "Lokalt medieret sammenfiltring i lineariseret kvantetyngdekraft". Phys. Rev. Lett. 130, 100202 (2023). arXiv:2202.03368.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.100202
arXiv: 2202.03368

[25] Nick Huggett, Niels Linnemann og Mike Schneider. "Kvantetyngdekraft i et laboratorium?" (2022). arXiv:2205.09013.
arXiv: 2205.09013

[26] Marios Christodoulou, Andrea Di Biagio, Richard Howl og Carlo Rovelli. "Tyngekraftsammenfiltring, kvantereferencesystemer, frihedsgrader" (2022). arXiv:2207.03138.
https://doi.org/10.1088/1361-6382/acb0aa
arXiv: 2207.03138

[27] Daine L. Danielson, Gautam Satishchandran og Robert M. Wald. "Black Holes Decohere Quantum Superpositions" (2022). arXiv:2205.06279.
https:///doi.org/10.1142/S0218271822410036
arXiv: 2205.06279

[28] Lin-Qing Chen, Flaminia Giacomini og Carlo Rovelli. "Kvantetilstande af felter for kvanteopdelte kilder". Quantum 7, 958 (2023). arXiv:2207.10592.
https://doi.org/10.22331/q-2023-03-20-958
arXiv: 2207.10592

[29] Eduardo Martín-Martínez og T. Rick Perche. "Hvad gravitationsmedieret sammenfiltring kan virkelig fortælle os om kvantetyngdekraften" (2022). arXiv:2208.09489.
arXiv: 2208.09489

[30] Chris Overstreet, Joseph Curti, Minjeong Kim, Peter Asenbaum, Mark A. Kasevich og Flaminia Giacomini. "Inferens af gravitationsfelts superposition fra kvantemålinger" (2022). arXiv:2209.02214.
arXiv: 2209.02214

[31] Markus Aspelmeyer. "Når Zeh møder Feynman: Sådan undgår du udseendet af en klassisk verden i tyngdekraftseksperimenter". Fundam. Theor. Phys. 204, 85-95 (2022). arXiv:2203.05587.
https://doi.org/10.1007/978-3-030-88781-0_5
arXiv: 2203.05587

[32] John S Bell. "Om Einstein Podolsky Rosen-paradokset". Physics Physique Fizika 1, 195 (1964).
https:///doi.org/10.1103/PhysicsPhysiqueFizika.1.195

[33] Lucien Hardy. "Kvanteori fra fem rimelige aksiomer" (2001). arXiv:quant-ph/0101012.
arXiv:quant-ph/0101012

[34] Jonathan Barrett. "Informationsbehandling i generaliserede probabilistiske teorier". Physical Review A 75, 032304 (2007).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.75.032304

[35] L. Diosi og JJ Halliwell. "Kobling af klassiske og kvantevariable ved hjælp af kontinuerlig kvantemålingsteori". Physical Review Letters 81, 2846-2849 (1998).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.81.2846

[36] J. Caro og LL Salcedo. "Hindringer for at blande klassisk og kvantedynamik". Physical Review A 60, 842-852 (1999).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.60.842

[37] Lajos Diósi, Nicolas Gisin og Walter T. Strunz. "Kvantetilgang til at koble klassisk og kvantedynamik". Physical Review A 61, 022108 (2000).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.61.022108

[38] Daniel R. Terno. "Inkonsekvens af kvante-klassisk dynamik, og hvad det indebærer". Fundamenter for fysik 36, 102-111 (2006).
https:///doi.org/10.1007/s10701-005-9007-y

[39] Hans-Thomas Elze. "Lineær dynamik af kvante-klassiske hybrider". Fysisk anmeldelse A 85, 052109 (2012).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.85.052109

[40] Jonathan Oppenheim. "En post-kvanteteori om klassisk tyngdekraft?" (2018). arXiv:1811.03116.
arXiv: 1811.03116

[41] Jonathan Oppenheim, Carlo Sparaciari, Barbara Šoda og Zachary Weller-Davies. "Gravitationelt induceret dekohærens vs rum-tidsdiffusion: test af tyngdekraftens kvantenatur" (2022). arXiv:2203.01982.
arXiv: 2203.01982

[42] Isaac Layton, Jonathan Oppenheim og Zachary Weller-Davies. "En sundere semi-klassisk dynamik" (2022). arXiv:2208.11722.
arXiv: 2208.11722

[43] Teiko Heinosaari, Leevi Leppäjärvi og Martin Plávala. "Ingen-fri-information princippet i generelle sandsynlighedsteorier". Quantum 3, 157 (2019).
https://doi.org/10.22331/q-2019-07-08-157

[44] Giulio Chiribella, Giacomo Mauro D'Ariano og Paolo Perinotti. "Sandsynlighedsteorier med oprensning". Fysisk anmeldelse A 81, 062348 (2010).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.81.062348

[45] David Bohm. "En foreslået fortolkning af kvanteteorien i form af" skjulte" variabler. JEG". Physical review 85, 166 (1952).
https:///doi.org/10.1103/PhysRev.85.166

[46] Hugh Everett. "Teorien om den universelle bølgefunktion". I The many-worlds fortolkning af kvantemekanik. Side 1-140. Princeton University Press (2015).
https:///doi.org/10.1515/9781400868056

[47] Bogdan Mielnik. "Mobilitet af ikke-lineære systemer". Journal of Mathematical Physics 21, 44–54 (1980).
https:///doi.org/10.1063/1.524331

[48] M Reginatto og MJW Hall. "Kvante-klassiske interaktioner og måling: en konsekvent beskrivelse ved hjælp af statistiske ensembler på konfigurationsrum". Journal of Physics: Conference Series 174, 012038 (2009).
https://doi.org/10.1088/1742-6596/174/1/012038

[49] Lucien Hardy. "Sandsynlighedsteorier med dynamisk kausal struktur: en ny ramme for kvantetyngdekraft" (2005). arXiv:gr-qc/0509120.
arXiv:gr-qc/0509120

[50] Giulio Chiribella, GM D'Ariano, Paolo Perinotti og Benoit Valiron. "Beyond quantum computers" (2009). arXiv:0912.0195.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.88.022318
arXiv: 0912.0195

[51] Ognyan Oreshkov, Fabio Costa og Časlav Brukner. "Kvantekorrelationer uden kausal rækkefølge". Naturkommunikation 3, 1092 (2012).
https:///doi.org/10.1038/ncomms2076

[52] Eugene P Wigner. "Bemærkninger om sind-krop-spørgsmålet". I Filosofiske refleksioner og synteser. Side 247–260. Springer (1995).
https://doi.org/10.1007/978-3-642-78374-6_20

[53] Daniela Frauchiger og Renato Renner. Kvanteteori kan ikke konsekvent beskrive brugen af sig selv. Naturkommunikation 9, 3711 (2018).
https://doi.org/10.1038/s41467-018-05739-8

[54] Kok-Wei Bong, Aníbal Utreras-Alarcón, Farzad Ghafari, Yeong-Cherng Liang, Nora Tischler, Eric G. Cavalcanti, Geoff J. Pryde og Howard M. Wiseman. "En stærk no-go-sætning om wignerens venneparadoks". Nature Physics 16, 1199-1205 (2020).
https:///doi.org/10.1038/s41567-020-0990-x

[55] Eric G. Cavalcanti og Howard M. Wiseman. "Konsekvenser af overtrædelse af lokal venlighed for kvanteårsagssammenhænge". Entropy 23 (2021).
https:///doi.org/10.3390/e23080925

[56] David Schmid, Yìlè Ying og Matthew Leifer. "En gennemgang og analyse af seks udvidede wigners ven-argumenter" (2023). arXiv:2308.16220.
arXiv: 2308.16220

[57] Yìlè Yīng, Marina Maciel Ansanelli, Andrea Di Biagio, Elie Wolfe og Eric Gama Cavalcanti. "Relaterer wigners vennescenarier til ikke-klassisk kausal kompatibilitet, monogamierelationer og finjustering" (2023). arXiv:2309.12987.
arXiv: 2309.12987

[58] GM D'Ariano, Franco Manessi og Paolo Perinotti. "Determinisme uden kausalitet". Physica Scripta 2014, 014013 (2014).
https://doi.org/10.1088/0031-8949/2014/T163/014013

[59] John H Selby, Maria E Stasinou, Stefano Gogioso og Bob Coecke. "Tidssymmetri i kvanteteorier og videre" (2022). arXiv:2209.07867.
arXiv: 2209.07867

[60] Matt Wilson, Giulio Chiribella og Aleks Kissinger. "Kvantesuperkort er karakteriseret ved lokalitet" (2022). arXiv:2205.09844.
arXiv: 2205.09844

[61] Venkatesh Vilasini, Nuriya Nurgalieva og Lídia del Rio. "Multi-agent paradokser ud over kvanteteorien". New Journal of Physics 21, 113028 (2019).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/ab4fc4

[62] Nick Ormrod, V Vilasini og Jonathan Barrett. "Hvilke teorier har et måleproblem?" (2023). arXiv:2303.03353.
arXiv: 2303.03353

[63] Jonathan Barrett, Lucien Hardy og Adrian Kent. "Ingen signalering og kvantenøglefordeling". Physical Review Letters 95, 010503 (2005).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.95.010503

[64] Peter Janotta og Haye Hinrichsen. "Generaliserede sandsynlighedsteorier: hvad bestemmer strukturen af kvanteteori?". Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical 47, 323001 (2014).
https://doi.org/10.1088/1751-8113/47/32/323001

[65] Martin Plávala. "Generelle probabilistiske teorier: En introduktion" (2021). arXiv:2103.07469.
arXiv: 2103.07469

[66] Giacomo Mauro D'Ariano, Paolo Perinotti og Alessandro Tosini. "Information og forstyrrelse i operationelle probabilistiske teorier" (2019). arXiv:1907.07043.
https://doi.org/10.22331/q-2020-11-16-363
arXiv: 1907.07043

[67] Stephen D. Bartlett, Terry Rudolph og Robert W. Spekkens. "Referencerammer, superselektionsregler og kvanteinformation". Rev. Mod. Phys. 79, 555-609 (2007).
https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.79.555

[68] Mohammad Bahrami, André Großardt, Sandro Donadi og Angelo Bassi. "Schrödinger-Newton-ligningen og dens grundlag". New Journal of Physics 16, 115007 (2014).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/16/11/115007

[69] Heinz-Peter Breuer og F. Petruccione. "Teorien om åbne kvantesystemer". Oxford University Press. Oxford ; New York (2002).
https:///doi.org/10.1093/acprof:oso/9780199213900.001.0001

[70] EG Beltrametti og S Bugajski. "En klassisk udvidelse af kvantemekanikken". Journal of Physics A: Mathematical and General 28, 3329–3343 (1995).
https://doi.org/10.1088/0305-4470/28/12/007

[71] Daniel Carney og Jacob M. Taylor. "Stærkt usammenhængende tyngdekraft" (2023). arXiv:2301.08378.
arXiv: 2301.08378

[72] Bogdan Mielnik. "Generaliseret kvantemekanik". Comm. Matematik. Phys. 37, 221-256 (1974).
https:///doi.org/10.1007/BF01646346

[73] Asher Peres og Daniel Terno. "Hybrid klassisk-kvantedynamik". Physical Review A 63, 022101 (2001).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.63.022101

[74] John Selby og Bob Coecke. "Lækager: kvante, klassisk, mellemliggende og mere". Entropy 19, 174 (2017).
https:///doi.org/10.3390/e19040174

[75] John H. Selby, Carlo Maria Scandolo og Bob Coecke. "Rekonstruktion af kvanteteori fra diagrammatiske postulater". Quantum 5, 445 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-04-28-445

[76] Bob Coecke, John Selby og Sean Tull. "To veje til klassiskitet" (2017). arXiv:1701.07400.
arXiv: 1701.07400

Citeret af

Dette papir er udgivet i Quantum under Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) licens. Ophavsretten forbliver hos de originale copyright-indehavere, såsom forfatterne eller deres institutioner.