Enhver konsistent kobling mellom klassisk gravitasjon og kvantematerie er fundamentalt irreversibel

Publisert av Platon

Følgere: 0

Thomas D. Galley¹, Flaminia Giacomini², og John H. Selby³

¹Institutt for kvanteoptikk og kvanteinformasjon, Østerrikes vitenskapsakademi, Boltzmanngasse 3, 1090 Wien, Østerrike
²Institutt for teoretisk fysikk, ETH Zürich, 8093 Zürich, Sveits
³ICTQT, University of Gdańsk, Wita Stwosza 63, 80-308 Gdańsk, Polen

Finn dette papiret interessant eller vil diskutere? Scite eller legg igjen en kommentar på SciRate.

Abstrakt

Når tyngdekraften er hentet fra et kvantesystem, er det spenning mellom dens rolle som formidler av en grunnleggende interaksjon, som forventes å tilegne seg ikke-klassiske trekk, og dens rolle i å bestemme egenskapene til romtid, som iboende er klassisk. I bunn og grunn bør denne spenningen resultere i å bryte et av de grunnleggende prinsippene for kvanteteori eller generell relativitet, men det er vanligvis vanskelig å vurdere hvilken uten å ty til en spesifikk modell. Her svarer vi på dette spørsmålet på en teoriuavhengig måte ved hjelp av General Probabilistic Theories (GPTs). Vi vurderer vekselvirkningene mellom gravitasjonsfeltet og et enkelt materiesystem, og utleder et no-go-teorem som viser at når gravitasjonen er klassisk må minst én av følgende antakelser brytes: (i) Materiegrader av frihet er beskrevet av fullstendig ikke-klassiske frihetsgrader; (ii) Interaksjoner mellom materie frihetsgrader og gravitasjonsfeltet er reversible; (iii) Materiegrader av frihet reagerer tilbake på gravitasjonsfeltet. Vi argumenterer for at dette innebærer at teorier om klassisk gravitasjon og kvantestoff må være fundamentalt irreversible, slik tilfellet er i den nyere modellen til Oppenheim et al. Omvendt hvis vi krever at interaksjonen mellom kvantestoff og gravitasjonsfeltet er reversibelt, så må gravitasjonsfeltet være ikke-klassisk.

Populært sammendrag

Et sentralt spørsmål i moderne fysikk er hvordan man forener kvanteteori og generell relativitet. Historisk har mange argumenter blitt fremsatt som hevder at forening av de to teoriene bare kan oppnås ved å kvantisere gravitasjonsfeltet, og faktisk prøver de fleste tilnærminger til forening å gjøre det. I denne artikkelen viser vi at eksisterende argumenter for å kvantisere gravitasjonsfeltet gjør viktige underliggende antakelser som reversibilitet av interaksjoner og muligheten for å forberede kvantesuperposisjonstilstander. Vi beviser et teorem, som ikke er avhengig av noen teoretisk beskrivelse av gravitasjon og materie, og viser at enhver konsistent kobling mellom klassisk gravitasjon og fullstendig kvantematerie må være irreversibel. Dette viser at konsistenskrav alene ikke tilsier at tyngdekraften må kvantiseres, og dessuten må ethvert forsøk på å forene klassisk tyngdekraft og fullstendig kvantestoff nødvendigvis ha irreversible interaksjoner mellom materie og gravitasjonsfeltet.

► BibTeX-data

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

► Referanser

[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. "Undersøkelse av en gravitasjonskatttilstand". Klasse. Quant. 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. "Spinnforviklingsvitne for kvantetyngdekraft". Phys. Rev. Lett. 119, 240401 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.240401

[4] Chiara Marletto og Vlatko Vedral. "Gravitasjonsindusert sammenfiltring mellom to massive partikler er tilstrekkelig 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 vi trenger å kvantisere alt, inkludert 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. "When Cavendish meets Feynman: A quantum torsion balance for testing the quantumness of gravitation" (2017). arXiv:1710.08695.
arxiv: 1710.08695

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

[8] Chiara Marletto og Vlatko Vedral. "Når kan gravitasjonsbanen vikle to romlig overlagrede 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. "Kvantesuperposisjon av massive objekter og kvantisering av 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. "Informasjonsinnhold i gravitasjonsfeltet til en kvantesuperposisjon". Int. J. Mod. Phys. D 28, 1943001 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1142 / S0218271819430016

[11] Marios Christodoulou og Carlo Rovelli. "Om muligheten for laboratoriebevis for kvantesuperposisjon av 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. "Kvantesuperposisjon av to gravitasjonskatttilstander". Klasse. Quant. 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 en signatur av 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 testing på bordet av kvantenaturen til linearisert tyngdekraft". Phys. Rev. A 101, 052110 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.101.052110

[15] Hadrien Chevalier, AJ Paige og MS Kim. "Vitne til tyngdekraftens ikke-klassiske natur i nærvær av ukjente interaksjoner". 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 grunn av tyngdekraften". npj Quantum Information 6, 1–6 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41534-020-0243-y

[17] Chiara Marletto og Vlatko Vedral. "Vitne til ikke-klassisalitet utover kvanteteori". Phys. Rev. D 102, 086012 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.102.086012

[18] Thomas D. Galley, Flaminia Giacomini og John H. Selby. "Et no-go-teorem om gravitasjonsfeltets natur utover 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. "Eksperimentell lokalisering av kvanteforviklinger gjennom overvåket 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. "Bruk av et atominterferometer for å utlede generering av gravitasjonsforviklinger". 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 av interferometriske vekkelser for den grunnleggende beskrivelsen av tyngdekraften". Univers 8 (2022).
https:///doi.org/10.3390/universe8020058

[22] Daine L. Danielson, Gautam Satishchandran og Robert M. Wald. "Gravitasjonsmediert 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. "Testing av romtidens ikke-klassiske karakter: Hva kan vi lære av 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 mediert sammenfiltring i linearisert 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. "Kvantetyngekraft i et laboratorium?" (2022). arXiv:2205.09013.
arxiv: 2205.09013

[26] Marios Christodoulou, Andrea Di Biagio, Richard Howl og Carlo Rovelli. "Gravity entanglement, quantum reference systems, degrees of freedom" (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. "Kvantetilstander for felt for kvantedelte 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. "Hva gravitasjonsmediert sammenfiltring kan virkelig fortelle oss 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 av gravitasjonsfeltsuperposisjon fra kvantemålinger" (2022). arXiv:2209.02214.
arxiv: 2209.02214

[31] Markus Aspelmeyer. "Når Zeh møter Feynman: Hvordan unngå utseendet til en klassisk verden i gravitasjonseksperimenter". 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. "Kvanteteori fra fem rimelige aksiomer" (2001). arXiv:quant-ph/0101012.
arxiv: Quant-ph / 0101012

[34] Jonathan Barrett. "Informasjonsbehandling i generaliserte sannsynlighetsteorier". Physical Review A 75, 032304 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.75.032304

[35] L. Diosi og JJ Halliwell. "Koble klassiske og kvantevariabler ved bruk av kontinuerlig kvantemålingsteori". Physical Review Letters 81, 2846–2849 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.81.2846

[36] J. Caro og LL Salcedo. "Hendringer for å blande klassisk og kvantedynamikk". Physical Review A 60, 842–852 (1999).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.60.842

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

[38] Daniel R. Terno. "Inkonsekvens av kvante-klassisk dynamikk, og hva det innebærer". Fundamenter for fysikk 36, 102–111 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1007 / s10701-005-9007-y

[39] Hans-Thomas Elze. "Lineær dynamikk av kvante-klassiske hybrider". Physical Review A 85, 052109 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.85.052109

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

[41] Jonathan Oppenheim, Carlo Sparaciari, Barbara Šoda og Zachary Weller-Davies. "Gravitasjonsindusert dekoherens vs rom-tidsdiffusjon: testing av tyngdekraftens kvantenatur" (2022). arXiv:2203.01982.
arxiv: 2203.01982

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

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

[44] Giulio Chiribella, Giacomo Mauro D'Ariano og Paolo Perinotti. "Sannsynlighetsteorier med rensing". Physical Review A 81, 062348 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.062348

[45] David Bohm. "En foreslått tolkning av kvanteteorien når det gjelder "skjulte" variabler. JEG". Physical review 85, 166 (1952).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.85.166

[46] Hugh Everett. "Teorien om den universelle bølgefunksjonen". I Mange-verdeners tolkning av kvantemekanikk. Side 1–140. Princeton University Press (2015).
https: / / doi.org/ 10.1515 / 9781400868056

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

[48] M Reginatto og MJW Hall. "Kvanteklassiske interaksjoner og måling: en konsistent beskrivelse ved bruk av statistiske ensembler på konfigurasjonsrom". Journal of Physics: Conference Series 174, 012038 (2009).
https://doi.org/10.1088/1742-6596/174/1/012038

[49] Lucien Hardy. "Sannsynlighetsteorier med dynamisk årsaksstruktur: et nytt rammeverk 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. "Kvantekorrelasjoner uten årsaksrekkefølge". Naturkommunikasjon 3, 1092 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms2076

[52] Eugene P Wigner. "Bemerkninger om sinn-kropp-spørsmålet". I Filosofiske refleksjoner 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 bruken av seg selv". Naturformidling 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. "Et sterkt no-go-teorem 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. "Implikasjoner av brudd på lokal vennlighet for kvanteårsakssammenheng". Entropy 23 (2021).
https: / / doi.org/ 10.3390 / e23080925

[56] David Schmid, Yìlè Yīng og Matthew Leifer. "En gjennomgang og analyse av seks utvidede wigners vennargumenter" (2023). arXiv:2308.16220.
arxiv: 2308.16220

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

[58] GM D'Ariano, Franco Manessi og Paolo Perinotti. "Determinisme uten 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 utover" (2022). arXiv:2209.07867.
arxiv: 2209.07867

[60] Matt Wilson, Giulio Chiribella og Aleks Kissinger. "Kvantesuperkart er preget av lokalitet" (2022). arXiv:2205.09844.
arxiv: 2205.09844

[61] Venkatesh Vilasini, Nuriya Nurgalieva og Lídia del Rio. "Multi-agent paradokser utover kvanteteori". 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 kvantenøkkeldistribusjon". Physical Review Letters 95, 010503 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.95.010503

[64] Peter Janotta og Haye Hinrichsen. "Generaliserte sannsynlighetsteorier: hva bestemmer strukturen til 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 sannsynlighetsteorier: En introduksjon" (2021). arXiv:2103.07469.
arxiv: 2103.07469

[66] Giacomo Mauro D'Ariano, Paolo Perinotti og Alessandro Tosini. "Informasjon og forstyrrelse i operasjonelle sannsynlighetsteorier" (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. "Referanserammer, superseleksjonsregler og kvanteinformasjon". 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 grunnlag". 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 åpne 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 utvidelse av kvantemekanikk". 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. "Sterkt usammenhengende tyngdekraft" (2023). arXiv:2301.08378.
arxiv: 2301.08378

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

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

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

[75] John H. Selby, Carlo Maria Scandolo og Bob Coecke. "Rekonstruere 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 veier til klassiskitet" (2017). arXiv:1701.07400.
arxiv: 1701.07400

Sitert av

Denne artikkelen er utgitt i Quantum under Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) tillatelse. Opphavsrett forblir hos de opprinnelige rettighetshaverne som forfatterne eller institusjonene deres.