Każde spójne sprzężenie pomiędzy klasyczną grawitacją a materią kwantową jest zasadniczo nieodwracalne

Każde spójne sprzężenie pomiędzy klasyczną grawitacją a materią kwantową jest zasadniczo nieodwracalne

Węzeł źródłowy: 2940726

Thomasa D. Galleya1, Flaminia Giacomini2i John H. Selby3

1Instytut Optyki Kwantowej i Informacji Kwantowej, Austriacka Akademia Nauk, Boltzmanngasse 3, 1090 Wiedeń, Austria
2Instytut Fizyki Teoretycznej, ETH Zürich, 8093 Zürich, Szwajcaria
3ICTQT, Uniwersytet Gdański, Wita Stwosza 63, 80-308 Gdańsk, Polska

Czy ten artykuł jest interesujący czy chcesz dyskutować? Napisz lub zostaw komentarz do SciRate.

Abstrakcyjny

Kiedy grawitacja jest generowana przez układ kwantowy, istnieje napięcie pomiędzy jej rolą jako mediatora podstawowej interakcji, która, jak się oczekuje, nabierze cech nieklasycznych, a jej rolą w określaniu właściwości czasoprzestrzeni, która jest z natury klasyczna. Zasadniczo napięcie to powinno skutkować złamaniem jednej z podstawowych zasad teorii kwantowej lub ogólnej teorii względności, jednak zwykle trudno ocenić, która z nich bez odwoływania się do konkretnego modelu. Tutaj odpowiadamy na to pytanie w sposób niezależny od teorii, korzystając z ogólnych teorii probabilistycznych (GPT). Rozważamy interakcje pola grawitacyjnego z pojedynczym układem materii i wyprowadzamy twierdzenie „nieprzejściowe” pokazujące, że gdy grawitacja jest klasyczna, należy naruszyć co najmniej jedno z następujących założeń: (i) Stopnie swobody materii są opisane przez w pełni nieklasyczne stopnie swobody; (ii) Oddziaływania pomiędzy stopniami swobody materii a polem grawitacyjnym są odwracalne; (iii) Stopnie swobody materii reagują wstecznie na pole grawitacyjne. Twierdzimy, że oznacza to, że teorie klasycznej grawitacji i materii kwantowej muszą być zasadniczo nieodwracalne, jak ma to miejsce w przypadku najnowszego modelu Oppenheima i in. I odwrotnie, jeśli wymagamy, aby interakcja między materią kwantową a polem grawitacyjnym była odwracalna, wówczas pole grawitacyjne musi być nieklasyczne.

Centralnym pytaniem współczesnej fizyki jest to, jak ujednolicić teorię kwantową i ogólną teorię względności. Historycznie rzecz biorąc, wysunięto wiele argumentów twierdzących, że zjednoczenie obu teorii można uzyskać jedynie poprzez kwantyzację pola grawitacyjnego i rzeczywiście większość podejść do unifikacji próbuje to zrobić. W tym artykule pokazujemy, że istniejące argumenty przemawiające za kwantyzacją pola grawitacyjnego opierają się na ważnych założeniach podstawowych, takich jak odwracalność oddziaływań i możliwość przygotowania kwantowych stanów superpozycji. Udowodnimy twierdzenie niezależne od żadnego teoretycznego opisu grawitacji i materii, pokazujące, że wszelkie spójne sprzężenie pomiędzy grawitacją klasyczną a materią w pełni kwantową musi być nieodwracalne. To pokazuje, że same wymagania dotyczące spójności nie narzucają, że grawitacja musi być skwantowana, a ponadto każda próba ujednolicenia klasycznej grawitacji i materii w pełni kwantowej musi koniecznie obejmować nieodwracalne interakcje między materią a polem grawitacyjnym.

► Dane BibTeX

► Referencje

[1] M. Bahrami, A. Bassi, S. McMillen, M. Paternostro i H. Ulbricht. „Czy grawitacja jest kwantowa?” (2015). arXiv:1507.05733.
arXiv: 1507.05733

[2] Charis Anastopoulos i Bei-Lok Hu. „Badanie stanu kota grawitacyjnego”. Klasa. Ilość. Graw. 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 i Gerard Milburn. „Świadek splątania spinowego dla grawitacji kwantowej”. Fiz. Wielebny Lett. 119, 240401 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.240401

[4] Chiara Marletto i Vlatko Vedral. „Wywołane grawitacyjnie splątanie pomiędzy dwiema masywnymi cząstkami jest wystarczającym dowodem na istnienie efektów kwantowych w grawitacji”. Fiz. Wielebny Lett. 119, 240402 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.240402

[5] Chiara Marletto i Vlatko Vedral. „Dlaczego musimy skwantować wszystko, łącznie z grawitacją”. npj Informacje kwantowe 3, 1–5 (2017).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-017-0028-0

[6] Matteo Carlesso, Mauro Paternostro, Hendrik Ulbricht i Angelo Bassi. „Kiedy Cavendish spotyka Feynmana: kwantowa równowaga skrętna do badania kwantowości grawitacji” (2017). arXiv:1710.08695.
arXiv: 1710.08695

[7] Michaela JW Halla i Marcela Reginatto. „O dwóch ostatnich propozycjach bycia świadkiem nieklasycznej grawitacji”. J.Fiz. A 51, 085303 (2018).
https://​/​doi.org/​10.1088/​1751-8121/​aaa734

[8] Chiara Marletto i Vlatko Vedral. „Kiedy ścieżka grawitacji może splątać dwie przestrzennie nałożone na siebie masy?”. Fiz. 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 i Markus Aspelmeyer. „Kwantowa superpozycja masywnych obiektów i kwantyzacja grawitacji”. Fiz. 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 i Markus Aspelmeyer. „Zawartość informacyjna pola grawitacyjnego superpozycji kwantowej”. Wewnętrzne J. Mod. Fiz. D 28, 1943001 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1142 / S0218271819430016

[11] Marios Christodoulou i Carlo Rovelli. „O możliwości dowodów laboratoryjnych na kwantową superpozycję geometrii”. Fiz. Łotysz. B 792, 64–68 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physletb.2019.03.015

[12] Charis Anastopoulos i Bei-Lok Hu. „Kwantowa superpozycja dwóch stanów kota grawitacyjnego”. Klasa. Ilość. Graw. 37, 235012 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1088/​1361-6382/​abbe6f

[13] Richard Howl, Vlatko Vedral, Devang Naik, Marios Christodoulou, Carlo Rovelli i Aditya Iyer. „Niegaussowość jako sygnatura kwantowej teorii grawitacji”. PRX Quantum 2, 010325 (2021).
https: // doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010325

[14] Ryan J. Marshman, Anupam Mazumdar i Sougato Bose. „Lokalność i splątanie w laboratoryjnych testach kwantowej natury zlinearyzowanej grawitacji”. Fiz. Rev. A 101, 052110 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.101.052110

[15] Hadrien Chevalier, AJ Paige i MS Kim. „Świadectwo nieklasycznej natury grawitacji w obecności nieznanych oddziaływań”. Fiz. 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 i Tomasz Paterek. „Obserwowalne splątanie kwantowe spowodowane grawitacją”. npj Informacje kwantowe 6, 1–6 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41534-020-0243-y

[17] Chiara Marletto i Vlatko Vedral. „Świadkiem nieklasyczności poza teorią kwantową”. Fiz. Rev. D 102, 086012 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.102.086012

[18] Thomas D. Galley, Flaminia Giacomini i John H. Selby. „Niedopuszczalne twierdzenie o naturze pola grawitacyjnego poza teorią kwantową”. Kwant 6, 779 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-08-17-779

[19] Soham Pal, Priya Batra, Tanjung Krisnanda, Tomasz Paterek i TS Mahesh. „Eksperymentalna lokalizacja splątania kwantowego za pomocą monitorowanego mediatora klasycznego”. Kwant 5, 478 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-06-17-478

[20] Daniel Carney, Holger Müller i Jacob M. Taylor. „Wykorzystanie interferometru atomowego do wywnioskowania generacji splątania grawitacyjnego”. 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 i Martin Bodo Plenio. „O znaczeniu przebudzeń interferometrycznych dla podstawowego opisu grawitacji”. Wszechświat 8 (2022).
https: // doi.org/ 10.3390 / universe8020058

[22] Daine L. Danielson, Gautam Satishchandran i Robert M. Wald. „Splątanie za pośrednictwem grawitacji: pole Newtona a grawitony”. Fiz. Rev. D 105, 086001 (2022). arXiv:2112.10798.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.105.086001
arXiv: 2112.10798

[23] Adrian Kent i Damián Pitalúa-García. „Testowanie nieklasyczności czasoprzestrzeni: czego możemy się nauczyć z eksperymentów Bella – Bose'a i in.-Marletto-Vedrala?”. Fiz. 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 i Richard Howl. „Lokalnie pośredniczone splątanie w zlinearyzowanej grawitacji kwantowej”. Fiz. Wielebny Lett. 130, 100202 (2023). arXiv:2202.03368.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.130.100202
arXiv: 2202.03368

[25] Nicka Huggetta, Nielsa Linnemanna i Mike’a Schneidera. „Grawitacja kwantowa w laboratorium?” (2022). arXiv:2205.09013.
arXiv: 2205.09013

[26] Marios Christodoulou, Andrea Di Biagio, Richard Howl i Carlo Rovelli. „Splątanie grawitacyjne, kwantowe układy odniesienia, stopnie swobody” (2022). arXiv:2207.03138.
https://​/​doi.org/​10.1088/​1361-6382/​acb0aa
arXiv: 2207.03138

[27] Daine L. Danielson, Gautam Satishchandran i Robert M. Wald. „Czarne dziury Decohere Quantum Superpositions” (2022). arXiv:2205.06279.
https: / / doi.org/ 10.1142 / S0218271822410036
arXiv: 2205.06279

[28] Lin-Qing Chen, Flaminia Giacomini i Carlo Rovelli. „Stany kwantowe pól dla źródeł rozdzielonych kwantowo”. Kwant 7, 958 (2023). arXiv:2207.10592.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2023-03-20-958
arXiv: 2207.10592

[29] Eduardo Martín-Martínez i T. Rick Perche. „Co splątanie za pośrednictwem grawitacji może nam naprawdę powiedzieć o grawitacji kwantowej” (2022). arXiv:2208.09489.
arXiv: 2208.09489

[30] Chris Overstreet, Joseph Curti, Minjeong Kim, Peter Asenbaum, Mark A. Kasevich i Flaminia Giacomini. „Wnioskowanie o superpozycji pola grawitacyjnego z pomiarów kwantowych” (2022). arXiv:2209.02214.
arXiv: 2209.02214

[31] Markusa Aspelmeyera. „Kiedy Zeh spotyka Feynmana: jak uniknąć pojawienia się klasycznego świata w eksperymentach grawitacyjnych”. Fundam. Teoria. fizyka 204, 85–95 (2022). arXiv:2203.05587.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-030-88781-0_5
arXiv: 2203.05587

[32] Johna S. Bella. „O paradoksie Einsteina Podolskiego Rosena”. Fizyka Fizyka Fizika 1, 195 (1964).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysicsPhysiqueFizika.1.195

[33] Lucjana Hardy'ego. „Teoria kwantowa z pięciu rozsądnych aksjomatów” (2001). arXiv:kwant-ph/​0101012.
arXiv: quant-ph / 0101012

[34] Jonathana Barretta. „Przetwarzanie informacji w uogólnionych teoriach probabilistycznych”. Przegląd fizyczny A 75, 032304 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.75.032304

[35] L. Diosi i JJ Halliwell. „Sprzężenie zmiennych klasycznych i kwantowych za pomocą ciągłej teorii pomiarów kwantowych”. Listy przeglądu fizycznego 81, 2846–2849 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.81.2846

[36] J. Caro i LL Salcedo. „Przeszkody w łączeniu dynamiki klasycznej i kwantowej”. Przegląd fizyczny A 60, 842–852 (1999).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.60.842

[37] Lajos Diósi, Nicolas Gisin i Walter T. Strunz. „Kwantowe podejście do łączenia dynamiki klasycznej i kwantowej”. Przegląd fizyczny A 61, 022108 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.61.022108

[38] Daniel R. Terno. „Niespójność dynamiki kwantowo-klasycznej i co to oznacza”. Podstawy fizyki 36, 102–111 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1007 / s10701-005-9007-y

[39] Hansa-Thomasa Elze. „Dynamika liniowa hybryd kwantowo-klasycznych”. Przegląd fizyczny A 85, 052109 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.85.052109

[40] Jonathana Oppenheima. „Postkwantowa teoria grawitacji klasycznej?” (2018). arXiv:1811.03116.
arXiv: 1811.03116

[41] Jonathan Oppenheim, Carlo Sparaciari, Barbara Šoda i Zachary Weller-Davies. „Dekoherencja indukowana grawitacyjnie a dyfuzja czasoprzestrzenna: badanie kwantowej natury grawitacji” (2022). arXiv:2203.01982.
arXiv: 2203.01982

[42] Isaaca Laytona, Jonathana Oppenheima i Zachary’ego Wellera-Daviesa. „Zdrowsza dynamika półklasyczna” (2022). arXiv:2208.11722.
arXiv: 2208.11722

[43] Teiko Heinosaari, Leevi Leppäjärvi i Martin Plávala. „Zasada braku wolnej informacji w ogólnych teoriach probabilistycznych”. Quantum 3, 157 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-07-08-157

[44] Giulio Chiribella, Giacomo Mauro D’Ariano i Paolo Perinotti. „Teorie probabilistyczne z oczyszczaniem”. Przegląd fizyczny A 81, 062348 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.062348

[45] Davida Bohma. „Proponowana interpretacja teorii kwantów w kategoriach „ukrytych” zmiennych. I". Przegląd fizyczny 85, 166 (1952).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.85.166

[46] Hugh Everetta. „Teoria uniwersalnej funkcji falowej”. W Wieloświatowej interpretacji mechaniki kwantowej. Strony 1–140. Wydawnictwo Uniwersytetu Princeton (2015).
https: / / doi.org/ 10.1515 / 9781400868056

[47] Bogdana Mielnika. „Mobilność systemów nieliniowych”. Journal of Mathematical Physics 21, 44-54 (1980).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.524331

[48] M Reginatto i MJW Hall. „Kwantowo-klasyczne interakcje i pomiary: spójny opis z wykorzystaniem zespołów statystycznych w przestrzeni konfiguracyjnej”. Journal of Physics: Konferencja Seria 174, 012038 (2009).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1742-6596/​174/​1/​012038

[49] Luciena Hardy’ego. „Teorie prawdopodobieństwa z dynamiczną strukturą przyczynową: nowe ramy dla grawitacji kwantowej” (2005). arXiv:gr-qc/​0509120.
arXiv: gr-qc / 0509120

[50] Giulio Chiribella, GM D'Ariano, Paolo Perinotti i Benoit Valiron. „Poza komputerami kwantowymi” (2009). arXiv:0912.0195.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.88.022318
arXiv: 0912.0195

[51] Ognyan Oreshkov, Fabio Costa i Časlav Brukner. „Korelacje kwantowe bez porządku przyczynowego”. Komunikacja przyrodnicza 3, 1092 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms2076

[52] Eugeniusza P. Wignera. „Uwagi na temat kwestii umysłu i ciała”. W refleksjach i syntezach filozoficznych. Strony 247–260. Springera (1995).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-642-78374-6_20

[53] Daniela Frauchiger i Renato Renner. „Teoria kwantowa nie może w sposób spójny opisać zastosowania samej siebie”. Komunikacja przyrodnicza 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 i Howard M. Wiseman. „Silne twierdzenie o zakazie przejścia na paradoksie przyjaciela Wignera”. Fizyka przyrody 16, 1199–1205 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41567-020-0990-x

[55] Eric G. Cavalcanti i Howard M. Wiseman. „Konsekwencje naruszenia lokalnej przyjazności dla przyczynowości kwantowej”. Entropia 23 (2021).
https: / / doi.org/ 10.3390 / e23080925

[56] David Schmid, Yìlè Yīng i Matthew Leifer. „Przegląd i analiza sześciu rozszerzonych argumentów przyjaciela Wignera” (2023). arXiv:2308.16220.
arXiv: 2308.16220

[57] Yìlè Yīng, Marina Maciel Ansanelli, Andrea Di Biagio, Elie Wolfe i Eric Gama Cavalcanti. „Powiązanie scenariuszy przyjaciela Wignera z nieklasyczną zgodnością przyczynową, relacjami monogamii i dostrojeniem” (2023). arXiv:2309.12987.
arXiv: 2309.12987

[58] GM D'Ariano, Franco Manessi i Paolo Perinotti. „Determinizm bez przyczynowości”. Fizyka Scripta 2014, 014013 (2014).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0031-8949/​2014/​T163/​014013

[59] John H. Selby, Maria E. Stasinou, Stefano Gogioso i Bob Coecke. „Symetria czasu w teoriach kwantowych i poza nimi” (2022). arXiv:2209.07867.
arXiv: 2209.07867

[60] Matt Wilson, Giulio Chiribella i Aleks Kissinger. „Supermapy kwantowe charakteryzują się lokalnością” (2022). arXiv:2205.09844.
arXiv: 2205.09844

[61] Venkatesh Vilasini, Nuriya Nurgalieva i Lídia del Rio. „Paradoksy wieloagentowe wykraczające poza teorię kwantową”. New Journal of Physics 21, 113028 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​ab4fc4

[62] Nick Ormrod, V Vilasini i Jonathan Barrett. „W których teoriach występuje problem pomiarowy?” (2023). arXiv:2303.03353.
arXiv: 2303.03353

[63] Jonathan Barrett, Lucien Hardy i Adrian Kent. „Brak sygnalizacji i dystrybucji kluczy kwantowych”. Fizyczne listy przeglądowe 95, 010503 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.95.010503

[64] Petera Janotty i Haye Hinrichsena. „Uogólnione teorie prawdopodobieństwa: co determinuje strukturę teorii kwantów?”. Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical 47, 323001 (2014).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1751-8113/​47/​32/​323001

[65] Martina Plavali. „Ogólne teorie probabilistyczne: wprowadzenie” (2021). arXiv:2103.07469.
arXiv: 2103.07469

[66] Giacomo Mauro D'Ariano, Paolo Perinotti i Alessandro Tosini. „Informacja i zaburzenie w operacyjnych teoriach probabilistycznych” (2019). arXiv:1907.07043.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-11-16-363
arXiv: 1907.07043

[67] Stephen D. Bartlett, Terry Rudolph i Robert W. Spekkens. „Układy odniesienia, zasady superselekcji i informacja kwantowa”. Wielebny Mod. Fiz. 79, 555–609 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.79.555

[68] Mohammad Bahrami, André Großardt, Sandro Donadi i Angelo Bassi. „Równanie Schrödingera – Newtona i jego podstawy”. New Journal of Physics 16, 115007 (2014).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​16/​11/​115007

[69] Heinza-Petera Breuera i F. Petruccione. „Teoria otwartych układów kwantowych”. Wydawnictwo Uniwersytetu Oksfordzkiego. Oksford; Nowy Jork (2002).
https: / / doi.org/ 10.1093 / acprof: oso / 9780199213900.001.0001

[70] EG Beltrametti i S. Bugajski. „Klasyczne rozszerzenie mechaniki kwantowej”. Journal of Physics A: Mathematical and General 28, 3329–3343 (1995).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0305-4470/​28/​12/​007

[71] Daniel Carney i Jacob M. Taylor. „Silnie niespójna grawitacja” (2023). arXiv:2301.08378.
arXiv: 2301.08378

[72] Bogdana Mielnika. „Uogólniona mechanika kwantowa”. Komunik. Matematyka. Fiz. 37, 221-256 (1974).
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01646346

[73] Ashera Peresa i Daniela Terno. „Hybrydowa dynamika klasyczno-kwantowa”. Przegląd fizyczny A 63, 022101 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.63.022101

[74] John Selby i Bob Coecke. „Przecieki: kwantowe, klasyczne, pośrednie i inne”. Entropia 19, 174 (2017).
https: / / doi.org/ 10.3390 / e19040174

[75] John H. Selby, Carlo Maria Scandolo i Bob Coecke. „Rekonstrukcja teorii kwantowej z postulatów schematycznych”. Kwant 5, 445 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-04-28-445

[76] Boba Coeckego, Johna Selby’ego i Seana Tulla. „Dwie drogi do klasycyzmu” (2017). arXiv:1701.07400.
arXiv: 1701.07400

Cytowany przez

Znak czasu:

Więcej z Dziennik kwantowy