Elke consistente koppeling tussen klassieke zwaartekracht en kwantummaterie is fundamenteel onomkeerbaar

Elke consistente koppeling tussen klassieke zwaartekracht en kwantummaterie is fundamenteel onomkeerbaar

Tijdstempel: 16 oktober 2023 10:14 uur
Bronknooppunt: 2940726

Thomas D. Kombuis1, Flaminia Giacomini2, en John H. Selby3

1Instituut voor Quantum Optica en Quantum Informatie, Oostenrijkse Academie van Wetenschappen, Boltzmanngasse 3, 1090 Wenen, Oostenrijk
2Instituut voor Theoretische Fysica, ETH Zürich, 8093 Zürich, Zwitserland
3ICTQT, Universiteit van Gdańsk, Wita Stwosza 63, 80-308 Gdańsk, Polen

Vind je dit artikel interessant of wil je het bespreken? Scite of laat een reactie achter op SciRate.

Abstract

Wanneer de zwaartekracht afkomstig is van een kwantumsysteem, bestaat er spanning tussen zijn rol als bemiddelaar van een fundamentele interactie, die naar verwachting niet-klassieke kenmerken zal krijgen, en zijn rol bij het bepalen van de eigenschappen van ruimtetijd, die inherent klassiek is. Fundamenteel gezien zou deze spanning moeten resulteren in het breken van een van de fundamentele principes van de kwantumtheorie of de algemene relativiteitstheorie, maar het is meestal moeilijk te beoordelen welke principes zonder toevlucht te nemen tot een specifiek model. Hier beantwoorden we deze vraag op een theorie-onafhankelijke manier met behulp van algemene probabilistische theorieën (GPT's). We beschouwen de interacties van het zwaartekrachtveld met een enkel materiesysteem, en leiden een no-go-stelling af die aantoont dat wanneer de zwaartekracht klassiek is, ten minste één van de volgende aannames moet worden geschonden: (i) De vrijheidsgraden van materie worden volledig beschreven door niet-klassieke vrijheidsgraden; (ii) Interacties tussen de vrijheidsgraden van materie en het zwaartekrachtveld zijn omkeerbaar; (iii) Materievrijheidsgraden reageren terug op het zwaartekrachtveld. Wij betogen dat dit impliceert dat theorieën over klassieke zwaartekracht en kwantummaterie fundamenteel onomkeerbaar moeten zijn, zoals het geval is in het recente model van Oppenheim et al. Omgekeerd, als we vereisen dat de interactie tussen kwantummaterie en het zwaartekrachtveld omkeerbaar is, dan moet het zwaartekrachtveld niet-klassiek zijn.

Populaire samenvatting

Een centrale vraag in de moderne natuurkunde is hoe de kwantumtheorie en de algemene relativiteitstheorie kunnen worden verenigd. Historisch gezien zijn er veel argumenten naar voren gebracht die beweren dat unificatie van de twee theorieën alleen kan worden bereikt door het zwaartekrachtveld te kwantiseren, en de meeste benaderingen van unificatie proberen dat ook te doen. In dit artikel laten we zien dat bestaande argumenten voor het kwantiseren van het zwaartekrachtveld belangrijke onderliggende aannames maken, zoals de omkeerbaarheid van interacties en de mogelijkheid om kwantumsuperpositietoestanden voor te bereiden. We bewijzen een stelling, die niet afhankelijk is van enige theoretische beschrijving van zwaartekracht en materie, en die aantoont dat elke consistente koppeling tussen klassieke zwaartekracht en volledig kwantummaterie onomkeerbaar moet zijn. Dit laat zien dat consistentie-eisen op zichzelf niet dicteren dat de zwaartekracht gekwantiseerd moet worden, en bovendien moet elke poging om de klassieke zwaartekracht en volledig kwantummaterie te verenigen noodzakelijkerwijs onomkeerbare interacties tussen materie en het zwaartekrachtveld inhouden.

► BibTeX-gegevens

► Referenties

[1] M Bahrami, A Bassi, S McMillen, M Paternostro en H Ulbricht. “Is de zwaartekracht kwantum?” (2015). arXiv:1507.05733.
arXiv: 1507.05733

[2] Charis Anastopoulos en Bei-Lok Hu. "Het onderzoeken van een zwaartekrachtkattoestand". Klas. Kwantitatief 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 en Gerard Milburn. "Spinverstrengelingsgetuige voor kwantumzwaartekracht". Fys. Ds. Lett. 119, 240401 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.240401

[4] Chiara Marletto en Vlatko Vedral. “Door de zwaartekracht veroorzaakte verstrengeling tussen twee massieve deeltjes is voldoende bewijs voor kwantumeffecten in de zwaartekracht”. Fys. Ds. Lett. 119, 240402 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.240402

[5] Chiara Marletto en Vlatko Vedral. “Waarom we alles moeten kwantificeren, inclusief de zwaartekracht”. npj Quantuminformatie 3, 1–5 (2017).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-017-0028-0

[6] Matteo Carlesso, Mauro Paternostro, Hendrik Ulbricht en Angelo Bassi. "Wanneer Cavendish Feynman ontmoet: een kwantumtorsiebalans voor het testen van de kwantumkracht van de zwaartekracht" (2017). arXiv:1710.08695.
arXiv: 1710.08695

[7] Michael JW Hall en Marcel Reginatto. “Over twee recente voorstellen om getuige te zijn van niet-klassieke zwaartekracht”. J. Phys. A51, 085303 (2018).
https://​/​doi.org/​10.1088/​1751-8121/​aaa734

[8] Chiara Marletto en Vlatko Vedral. "Wanneer kan de zwaartekracht twee ruimtelijk op elkaar geplaatste massa's verstrengelen?". Fys. 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 en Markus Aspelmeyer. "Kwantumsuperpositie van massieve objecten en de kwantisering van de zwaartekracht". Fys. 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 en Markus Aspelmeyer. "Informatie-inhoud van het zwaartekrachtveld van een kwantumsuperpositie". Int. J.Mod. Fys. D28, 1943001 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1142 / S0218271819430016

[11] Marios Christodoulou en Carlo Rovelli. "Over de mogelijkheid van laboratoriumbewijs voor kwantumsuperpositie van geometrieën". Fys. Let. B 792, 64–68 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physletb.2019.03.015

[12] Charis Anastopoulos en Bei-Lok Hu. ‘Kwantumsuperpositie van twee zwaartekrachtstaten’. Klas. Kwantitatief Grav. 37, 235012 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1088/​1361-6382/​abbe6f

[13] Richard Howl, Vlatko Vedral, Devang Naik, Marios Christodoulou, Carlo Rovelli en Aditya Iyer. "Niet-gaussianiteit als handtekening van een kwantumtheorie van de zwaartekracht". PRX Quantum 2, 010325 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010325

[14] Ryan J Marshman, Anupam Mazumdar en Sougato Bose. "Lokaliteit en verstrengeling bij het testen op tafel van de kwantumaard van gelineariseerde zwaartekracht". Fys. A 101, 052110 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.101.052110

[15] Hadrien Chevalier, AJ Paige en MS Kim. "Getuige zijn van de niet-klassieke aard van de zwaartekracht in de aanwezigheid van onbekende interacties". Fys. 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 en Tomasz Paterek. "Waarneembare kwantumverstrengeling als gevolg van de zwaartekracht". npj Quantuminformatie 6, 1–6 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41534-020-0243-y

[17] Chiara Marletto en Vlatko Vedral. "Getuige zijn van niet-classicaliteit die verder gaat dan de kwantumtheorie". Fys. D102, 086012 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.102.086012

[18] Thomas D. Galley, Flaminia Giacomini en John H. Selby. "Een no-go-stelling over de aard van het zwaartekrachtveld buiten de kwantumtheorie". Kwantum 6, 779 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-08-17-779

[19] Soham Pal, Priya Batra, Tanjung Krisnanda, Tomasz Paterek en TS Mahesh. ‘Experimentele lokalisatie van kwantumverstrengeling door middel van gecontroleerde klassieke mediator’. Kwantum 5, 478 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-06-17-478

[20] Daniel Carney, Holger Müller en Jacob M. Taylor. "Een atoominterferometer gebruiken om het genereren van zwaartekrachtverstrengeling af te leiden". 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 en Martin Bodo Plenio. "Over de betekenis van interferometrische heroplevingen voor de fundamentele beschrijving van de zwaartekracht". Universum 8 (2022).
https: / / doi.org/ 10.3390 / universe8020058

[22] Daine L. Danielson, Gautam Satishchandran en Robert M. Wald. ‘Door zwaartekracht gemedieerde verstrengeling: Newtons veld versus gravitonen’. Fys. D105, 086001 (2022). arXiv:2112.10798.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.105.086001
arXiv: 2112.10798

[23] Adrian Kent en Damián Pitalúa-García. "Het testen van de niet-classicaliteit van ruimtetijd: wat kunnen we leren van Bell-Bose et al.-Marletto-Vedral-experimenten?". Fys. D104, 126030 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.104.126030

[24] Marios Christodoulou, Andrea Di Biagio, Markus Aspelmeyer, Časlav Brukner, Carlo Rovelli en Richard Howl. "Lokaal gemedieerde verstrengeling in gelineariseerde kwantumzwaartekracht". Fys. Ds. Lett. 130, 100202 (2023). arXiv:2202.03368.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.130.100202
arXiv: 2202.03368

[25] Nick Huggett, Niels Linnemann en Mike Schneider. “Kwantumzwaartekracht in een laboratorium?” (2022). arXiv:2205.09013.
arXiv: 2205.09013

[26] Marios Christodoulou, Andrea Di Biagio, Richard Howl en Carlo Rovelli. "Zwaartekrachtverstrengeling, kwantumreferentiesystemen, vrijheidsgraden" (2022). arXiv:2207.03138.
https://​/​doi.org/​10.1088/​1361-6382/​acb0aa
arXiv: 2207.03138

[27] Daine L. Danielson, Gautam Satishchandran en Robert M. Wald. “Zwarte gaten ontrafelen kwantumsuperposities” (2022). arXiv:2205.06279.
https: / / doi.org/ 10.1142 / S0218271822410036
arXiv: 2205.06279

[28] Lin-Qing Chen, Flaminia Giacomini en Carlo Rovelli. "Kwantumtoestanden van velden voor kwantumgesplitste bronnen". Kwantum 7, 958 (2023). arXiv:2207.10592.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2023-03-20-958
arXiv: 2207.10592

[29] Eduardo Martín-Martínez en T. Rick Perche. “Wat door zwaartekracht gemedieerde verstrengeling ons echt kan vertellen over kwantumzwaartekracht” (2022). arXiv:2208.09489.
arXiv: 2208.09489

[30] Chris Overstreet, Joseph Curti, Minjeong Kim, Peter Asenbaum, Mark A. Kasevich en Flaminia Giacomini. “Inferentie van superpositie van zwaartekrachtvelden uit kwantummetingen” (2022). arXiv:2209.02214.
arXiv: 2209.02214

[31] Markus Aspelmeyer. "Wanneer Zeh Feynman ontmoet: hoe de verschijning van een klassieke wereld in zwaartekrachtexperimenten te vermijden". Fundamenteel. Theor. Fysiek. 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. “Over de Einstein Podolsky Rosen-paradox”. Natuurkunde Lichaamsbouw Fizika 1, 195 (1964).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysicsPhysiqueFizika.1.195

[33] Lucien Hardy. “Kwantumtheorie vanuit vijf redelijke axioma’s” (2001). arXiv:quant-ph/​0101012.
arXiv: quant-ph / 0101012

[34] Jonathan Barrett. "Informatieverwerking in gegeneraliseerde probabilistische theorieën". Fysieke beoordeling A 75, 032304 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.75.032304

[35] L. Diosi en JJ Halliwell. ‘Het koppelen van klassieke en kwantumvariabelen met behulp van de continue kwantummeettheorie’. Fysieke beoordelingsbrieven 81, 2846–2849 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.81.2846

[36] J. Caro en LL Salcedo. "Belemmeringen bij het mengen van klassieke en kwantumdynamica". Fysieke beoordeling A 60, 842–852 (1999).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.60.842

[37] Lajos Diósi, Nicolas Gisin en Walter T. Strunz. "Kwantumbenadering voor het koppelen van klassieke en kwantumdynamica". Fysieke beoordeling A 61, 022108 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.61.022108

[38] Daniel R. Terno. "Inconsistentie van de kwantum-klassieke dynamiek, en wat deze inhoudt". Grondslagen van de natuurkunde 36, 102–111 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1007 / s10701-005-9007-y

[39] Hans-Thomas Elze. ‘Lineaire dynamiek van kwantumklassieke hybriden’. Fysieke beoordeling A 85, 052109 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.85.052109

[40] Jonathan Oppenheim. “Een postkwantumtheorie van de klassieke zwaartekracht?” (2018). arXiv:1811.03116.
arXiv: 1811.03116

[41] Jonathan Oppenheim, Carlo Sparaciari, Barbara Soda en Zachary Weller-Davies. "Door zwaartekracht geïnduceerde decoherentie versus ruimte-tijd diffusie: het testen van de kwantumaard van de zwaartekracht" (2022). arXiv:2203.01982.
arXiv: 2203.01982

[42] Isaac Layton, Jonathan Oppenheim en Zachary Weller-Davies. ‘Een gezondere semi-klassieke dynamiek’ (2022). arXiv:2208.11722.
arXiv: 2208.11722

[43] Teiko Heinosaari, Leevi Leppäjärvi en Martin Plávala. "Principe van geen vrije informatie in algemene probabilistische theorieën". Kwantum 3, 157 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-07-08-157

[44] Giulio Chiribella, Giacomo Mauro D`Ariano en Paolo Perinotti. "Probabilistische theorieën met zuivering". Fysieke beoordeling A 81, 062348 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.062348

[45] David Bohm. “Een voorgestelde interpretatie van de kwantumtheorie in termen van ‘verborgen’ variabelen. I". Fysieke recensie 85, 166 (1952).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.85.166

[46] Hugh Everett. "De theorie van de universele golffunctie". In De vele werelden interpretatie van de kwantummechanica. Pagina's 1–140. Princeton University Press (2015).
https: / / doi.org/ 10.1515 / 9781400868056

[47] Bogdan Mielnik. "Mobiliteit van niet-lineaire systemen". Journal of Mathematical Physics 21, 44–54 (1980).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.524331

[48] M Reginatto en MJW Hall. "Kwantum-klassieke interacties en metingen: een consistente beschrijving met behulp van statistische ensembles in de configuratieruimte". Journal of Physics: Conference Series 174, 012038 (2009).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1742-6596/​174/​1/​012038

[49] Lucien Hardy. “Waarschijnlijkheidstheorieën met dynamische causale structuur: een nieuw raamwerk voor kwantumzwaartekracht” (2005). arXiv:gr-qc/​0509120.
arXiv: gr-QC / 0509120

[50] Giulio Chiribella, GM D'Ariano, Paolo Perinotti en Benoit Valiron. “Beyond quantumcomputers” (2009). arXiv:0912.0195.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.88.022318
arXiv: 0912.0195

[51] Ognyan Oresjkov, Fabio Costa en Časlav Brukner. "Kwantumcorrelaties zonder causale volgorde". Natuurcommunicatie 3, 1092 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms2076

[52] Eugene P. Wigner. "Opmerkingen over de kwestie van lichaam en geest". In filosofische reflecties en syntheses. Pagina's 247–260. Springer (1995).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-642-78374-6_20

[53] Daniela Frauchiger en Renato Renner. “De kwantumtheorie kan het gebruik van zichzelf niet op consistente wijze beschrijven.” Natuurcommunicatie 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 en Howard M. Wiseman. "Een sterke no-go-stelling over de wigner's vriend-paradox". Natuurfysica 16, 1199–1205 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41567-020-0990-x

[55] Eric G. Cavalcanti en Howard M. Wiseman. "Implicaties van schending van lokale vriendelijkheid voor kwantumcausaliteit". Entropie 23 (2021).
https: / / doi.org/ 10.3390 / e23080925

[56] David Schmid, Yìlè Ying en Matthew Leifer. "Een overzicht en analyse van zes uitgebreide Wigner's vriend-argumenten" (2023). arXiv:2308.16220.
arXiv: 2308.16220

[57] Yìlè Yīng, Marina Maciel Ansanelli, Andrea Di Biagio, Elie Wolfe en Eric Gama Cavalcanti. "Wigner's vriendscenario's in verband brengen met niet-klassieke causale compatibiliteit, monogamierelaties en verfijning" (2023). arXiv:2309.12987.
arXiv: 2309.12987

[58] GM D'Ariano, Franco Manessi en Paolo Perinotti. “Determinisme zonder causaliteit”. Physica Scripta 2014, 014013 (2014).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0031-8949/​2014/​T163/​014013

[59] John H Selby, Maria E Stasinou, Stefano Gogioso en Bob Coecke. “Tijdsymmetrie in kwantumtheorieën en daarbuiten” (2022). arXiv:2209.07867.
arXiv: 2209.07867

[60] Matt Wilson, Giulio Chiribella en Aleks Kissinger. "Kwantumsuperkaarten worden gekenmerkt door locatie" (2022). arXiv:2205.09844.
arXiv: 2205.09844

[61] Venkatesh Vilasini, Nuriya Nurgalieva en Lídia del Rio. ‘Multi-agentparadoxen die verder gaan dan de kwantumtheorie’. Nieuw Journal of Physics 21, 113028 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​ab4fc4

[62] Nick Ormrod, V Vilasini en Jonathan Barrett. “Welke theorieën hebben een meetprobleem?” (2023). arXiv:2303.03353.
arXiv: 2303.03353

[63] Jonathan Barrett, Lucien Hardy en Adrian Kent. "Geen signalering en kwantumsleuteldistributie". Fysieke beoordelingsbrieven 95, 010503 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.95.010503

[64] Peter Janotta en Haye Hinrichsen. "Gegeneraliseerde waarschijnlijkheidstheorieën: wat bepaalt de structuur van de kwantumtheorie?". Journal of Physics A: wiskundige en theoretische 47, 323001 (2014).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1751-8113/​47/​32/​323001

[65] Martin Plávala. “Algemene probabilistische theorieën: een introductie” (2021). arXiv:2103.07469.
arXiv: 2103.07469

[66] Giacomo Mauro D'Ariano, Paolo Perinotti en Alessandro Tosini. “Informatie en verstoring in operationele probabilistische theorieën” (2019). arXiv:1907.07043.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-11-16-363
arXiv: 1907.07043

[67] Stephen D. Bartlett, Terry Rudolph en Robert W. Spekkens. "Referentieframes, superselectieregels en kwantuminformatie". Rev. Mod. Fys. 79, 555-609 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.79.555

[68] Mohammad Bahrami, André Großardt, Sandro Donadi en Angelo Bassi. "De Schrödinger-Newton-vergelijking en zijn grondslagen". Nieuw Journal of Physics 16, 115007 (2014).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​16/​11/​115007

[69] Heinz-Peter Breuer en F. Petruccione. "De theorie van open kwantumsystemen". Oxford Universiteit krant. Oxford; New York (2002).
https: / / doi.org/ 10.1093 / acprof: oso / 9780199213900.001.0001

[70] EG Beltrametti en S Bugajski. "Een klassieke uitbreiding van de kwantummechanica". Journal of Physics A: Wiskundig en algemeen 28, 3329–3343 (1995).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0305-4470/​28/​12/​007

[71] Daniel Carney en Jacob M. Taylor. “Sterk onsamenhangende zwaartekracht” (2023). arXiv:2301.08378.
arXiv: 2301.08378

[72] Bogdan Mielnik. "Gegeneraliseerde kwantummechanica". Comm. Wiskunde. Fys. 37, 221–256 (1974).
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01646346

[73] Asher Peres en Daniel Terno. ‘Hybride klassiek-kwantumdynamica’. Fysieke beoordeling A 63, 022101 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.63.022101

[74] John Selby en Bob Coecke. "Lekken: kwantum, klassiek, gemiddeld en meer". Entropie 19, 174 (2017).
https: / / doi.org/ 10.3390 / e19040174

[75] John H. Selby, Carlo Maria Scandolo en Bob Coecke. ‘De kwantumtheorie reconstrueren op basis van schematische postulaten’. Kwantum 5, 445 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-04-28-445

[76] Bob Coecke, John Selby en Sean Tull. “Twee wegen naar classiciteit” (2017). arXiv:1701.07400.
arXiv: 1701.07400

Geciteerd door

Dit artikel is gepubliceerd in Quantum onder de Creative Commons Naamsvermelding 4.0 Internationaal (CC BY 4.0) licentie. Het auteursrecht blijft berusten bij de oorspronkelijke houders van auteursrechten, zoals de auteurs of hun instellingen.

Tijdstempel:

Meer van Quantum Journaal