En översyn och omformulering av makroskopisk realism: att lösa dess brister med hjälp av ramen för generaliserade sannolikhetsteorier

En översyn och omformulering av makroskopisk realism: att lösa dess brister med hjälp av ramen för generaliserade sannolikhetsteorier

Tidsstämpel: 3 januari 2024 10:51
Källnod: 3044646

David Schmid

International Centre for Theory of Quantum Technologies, University of Gdansk, 80-308 Gdansk, Polen

Hitta det här uppsatsen intressant eller vill diskutera? Scite eller lämna en kommentar på SciRate.

Abstrakt

Begreppet makrorealism introducerades av Leggett och Garg i ett försök att fånga vår intuitiva uppfattning om den makroskopiska världen, som verkar svår att förena med vår kunskap om kvantfysik. Vid det här laget har många experimentella vittnen föreslagits som metoder för att förfalska makrorealism. I detta arbete granskar och analyserar jag kritiskt både definitionen av makrorealism och de olika föreslagna testerna därav, och identifierar ett antal problem med dessa (och återgår till nyckelkritik från andra författare). Jag visar sedan att alla dessa problem kan lösas genom att omformulera makrorealismen inom ramen för generaliserade sannolikhetsteorier. Speciellt hävdar jag att en teori bör anses vara makrorealistisk om och endast om den beskriver varje makroskopiskt system genom en strikt klassisk (dvs förenklad) generaliserad probabilistisk teori. Detta tillvägagångssätt ger betydande klarhet och precision till vår förståelse av makrorealism och ger oss en mängd nya verktyg – både konceptuella och tekniska – för att studera makrorealism. Jag utnyttjar detta tillvägagångssätt i) för att klargöra i vilken mening makrorealism är en föreställning om klassiskitet, ii) för att föreslå ett nytt test av makrorealism som är maximalt informativt och teorioberoende (till skillnad från alla tidigare tester av makrorealism), och iii) för att visa att varje bevis på generaliserad kontextualitet på ett makroskopiskt system innebär makrorealismens misslyckande.

Utvald bild: Makrorealism karakteriseras bäst som operationshypotesen att makroskopiska system beskrivs av strikt klassiska generaliserade probabilistiska teorier – de vars tillståndsrum är ett simplex av någon dimension d och vars effektutrymme är den logiska dualen av det simplexet.

[Inbäddat innehåll]

► BibTeX-data

► Referenser

[1] A. J. Leggett och Anupam Garg. "Kvantmekanik kontra makroskopisk realism: Finns flödet där när ingen tittar?". Phys. Rev. Lett. 54, 857-860 (1985).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.54.857

[2] Owen JE Maroney och Christopher G Timpson. "Quantum-vs. makrorealism: Vad testar egentlig leggett-garg-ojämlikheten?” (2014). URL: https://​/​arxiv.org/​abs/​1412.6139.
arXiv: 1412.6139

[3] L. Hardy. "Quantum Theory From Five Reasonable Axioms" (2001). arXiv:quant-ph/​0101012.
arXiv: kvant-ph / 0101012

[4] Jonathan Barrett. "Informationsbehandling i generaliserade sannolikhetsteorier". Phys. Rev. A 75, 032304 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.75.032304

[5] Giulio Chiribella, Giacomo Mauro D'Ariano och Paolo Perinotti. "Probabilistiska teorier med rening". Phys. Rev. A 81, 062348 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.062348

[6] John H Selby, David Schmid, Elie Wolfe, Ana Belén Sainz, Ravi Kunjwal och Robert W Spekkens. "Tillgängliga fragment av generaliserade probabilistiska teorier, konekvivalens och tillämpningar för att bevittna icke-klassicitet" (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.107.062203

[7] L. Hardy, D. Home, E. J. Squires och M. A. B. Whitaker. "Realism och den kvantmekaniska tvåtillståndsoscillatorn". Phys. Rev. A 45, 4267-4270 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.45.4267

[8] Sara Foster och Andrew Elby. "A squid no-go theorem without macrorealism: What squid's really tell us about nature". Fundamenten av fysik 21, 773–785 (1991). URL: https://​/​doi.org/​10.1007/​BF00733344.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF00733344

[9] Fabio Benatti, Giancarlo Ghirardi och Renata Grassi. "Om några nya förslag för att testa makrorealism kontra kvantmekanik". Physics Foundations Letters 7, 105–126 (1994).
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF02415504

[10] Rob Clifton. "Icke-invasiv mätbarhet, negativa resultatmätningar och bevakade krukor: Ytterligare en titt på Leggetts argument för inkompatibiliteten mellan makrorealism och kvantmekanik". Symposium om grunderna för modern fysik. World Scientific. (1990). URL: https://doi.org/​10.1142/​1213.
https: / / doi.org/ 10.1142 / 1213

[11] Guido Bacciagaluppi. "Leggett-garg ojämlikheter, pilotvågor och kontextualitet" (2014).

[12] Michael D. Mazurek, Matthew F. Pusey, Kevin J. Resch och Robert W. Spekkens. "Experimentellt begränsande avvikelser från kvantteorin i landskapet av generaliserade sannolikhetsteorier". PRX Quantum 2, 020302 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.020302

[13] Michael J. Grabowecky, Christopher A. J. Pollack, Andrew R. Cameron, Robert W. Spekkens och Kevin J. Resch. "Experimentellt begränsande avvikelser från kvantteorin för ett fotoniskt trenivåsystem med användning av teoriagnostisk tomografi". Phys. Rev. A 105, 032204 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.105.032204

[14] Johannes Kofler och Caslav Brukner. "Villkor för makroskopisk realism bortom leggett-garg-ojämlikheterna". Phys. Rev. A 87, 052115 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.052115

[15] George C Knee, Kosuke Kakuyanagi, Mao-Chuang Yeh, Yuichiro Matsuzaki, Hiraku Toida, Hiroshi Yamaguchi, Shiro Saito, Anthony J Leggett och William J Munro. "Ett strikt experimentellt test av makroskopisk realism i en supraledande flödesqubit". Naturkommunikationer 7, 1–5 (2016). URL: https://​/​doi.org/​10.1038/​ncomms13253.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms13253

[16] Mark M Wilde och Ari Mizel. "Att ta itu med det klumpiga kryphålet i ett leggett-garg-test av makrorealism". Fundamenten för fysik 42, 256–265 (2012). URL: https://​/​doi.org/​10.1007/​s10701-011-9598-4.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s10701-011-9598-4

[17] John-Mark A Allen, Owen JE Maroney och Stefano Gogioso. "En starkare teorem mot makrorealism". Quantum 1, 13 (2017). URL: https://​/​doi.org/​10.22331/​q-2017-07-14-13.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2017-07-14-13

[18] RW Spekkens. "Kontextualitet för förberedelser, transformationer och oskarpa mätningar". Phys. Rev. A 71, 052108 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.71.052108

[19] Anthony J Leggett. "Testa kvantmekanikens gränser: motivation, läge, framtidsutsikter". Journal of Physics: Condensed Matter 14, R415 (2002).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0953-8984/​14/​15/​201

[20] Florian Fröwis, Pavel Sekatski, Wolfgang Dür, Nicolas Gisin och Nicolas Sangouard. "Makroskopiska kvanttillstånd: åtgärder, bräcklighet och implementeringar". Rev. Mod. Phys. 90, 025004 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.90.025004

[21] David Schmid, John H. Selby och Robert W. Spekkens. "Avkodning av omelett av orsakssamband och slutledning: Ramen för kausala-inferentiella teorier" (2020). arXiv:2009.03297.
arXiv: 2009.03297

[22] Nicholas Harrigan och Robert W. Spekkens. "Einstein, ofullständighet och den epistemiska synen på kvanttillstånd". Hittades. Phys. 40, 125–157 (2010).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s10701-009-9347-0

[23] Anthony J Leggett. "Experimentella tillvägagångssätt till kvantmätningsparadoxen". Foundations of Physics 18, 939–952 (1988). URL: https://doi.org/​10.1007/​BF01855943.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01855943

[24] Stephen D Bartlett, Terry Rudolph och Robert W Spekkens. "Referensramar, superselektionsregler och kvantinformation". Reviews of Modern Physics 79, 555 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.79.555

[25] David Schmid, John H Selby, Matthew F Pusey och Robert W Spekkens. "En struktursats för generaliserade-ickekontextuella ontologiska modeller" (2020). URL: https://​/​arxiv.org/​abs/​2005.07161.
arXiv: 2005.07161

[26] Lorenzo Catani, Matthew Leifer, David Schmid och Robert W Spekkens. "Varför interferensfenomen inte fångar essensen av kvantteorin" (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2023-09-25-1119

[27] Avshalom C Elitzur och Lev Vaidman. "Kvantmekaniska interaktionsfria mätningar". Foundations of Physics 23, 987–997 (1993). URL: https://doi.org/​10.1007/​BF00736012.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF00736012

[28] Carlton M Caves, Christopher A Fuchs och Rüdiger Schack. "Kvantsannolikheter som bayesiska sannolikheter". Fysisk granskning A 65, 022305 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.65.022305

[29] Robert W. Spekkens. "Bevis för den epistemiska synen på kvanttillstånd: En leksaksteori". Phys. Rev. A 75, 032110 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.75.032110

[30] B. Hensen et al. "Skrythålsfri Bell ojämlikhet kränkning med elektronsnurr åtskilda med 1.3 kilometer". Nature 526, 682 EP – (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature15759

[31] Lynden K. Shalm, Evan Meyer-Scott, Bradley G. Christensen, Peter Bierhorst, Michael A. Wayne, Martin J. Stevens, Thomas Gerrits, Scott Glancy, Deny R. Hamel, Michael S. Allman, Kevin J. Coakley, Shellee D. Dyer, Carson Hodge, Adriana E. Lita, Varun B. Verma, Camilla Lambrocco, Edward Tortorici, Alan L. Migdall, Yanbao Zhang, Daniel R. Kumor, William H. Farr, Francesco Marsili, Matthew D. Shaw, Jeffrey A. Stern, Carlos Abellán, Waldimar Amaya, Valerio Pruneri, Thomas Jennewein, Morgan W. Mitchell, Paul G. Kwiat, Joshua C. Bienfang, Richard P. Mirin, Emanuel Knill och Sae Woo Nam. "Starkt kryphålsfritt test av lokal realism". Phys. Rev. Lett. 115, 250402 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.115.250402

[32] Marissa Giustina, Marijn AM Versteegh, Sören Wengerowsky, Johannes Handsteiner, Armin Hochrainer, Kevin Phelan, Fabian Steinlechner, Johannes Kofler, Jan-Åke Larsson, Carlos Abellán, Waldimar Amaya, Valerio Pruneri, Morgan W. Mitchell, Jörn Beyer, Thomas Gerrits, Adriana E. Lita, Lynden K. Shalm, Sae Woo Nam, Thomas Scheidl, Rupert Ursin, Bernhard Wittmann och Anton Zeilinger. "Betydande kryphålsfritt test av klockans teorem med intrasslade fotoner". Phys. Rev. Lett. 115, 250401 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.115.250401

[33] Michael D. Mazurek, Matthew F. Pusey, Ravi Kunjwal, Kevin J. Resch och Robert W. Spekkens. "Ett experimentellt test av ickekontextualitet utan opysiska idealiseringar". Nat. Comm. 7 (2016). URL: https://doi.org/​10.1038/​ncomms11780.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms11780

[34] Ravi Kunjwal och Robert W. Spekkens. "Från Kochen-Specker-satsen till icke-kontextualitetsmässiga ojämlikheter utan att anta determinism". Phys. Rev. Lett. 115, 110403 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.115.110403

[35] David Schmid, John H. Selby, Elie Wolfe, Ravi Kunjwal och Robert W. Spekkens. "Karakterisering av ickekontextualitet inom ramen för generaliserade probabilistiska teorier". PRX Quantum 2, 010331 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010331

[36] Lucien Hardy och William K Wootters. "Begränsad holism och verklig-vektor-rymdkvantteori". Fundamenten för fysik 42, 454–473 (2012).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s10701-011-9616-6

[37] Michael A Nielsen och Isaac Chuang. "Kvantberäkning och kvantinformation". Cambridge University Press. (2010). URL: http://​/​mmrc.amss.cas.cn/​tlb/​201702/​W020170224608149940643.pdf.
http://​/​mmrc.amss.cas.cn/​tlb/​201702/​W020170224608149940643.pdf

[38] David Schmid, Katja Ried och Robert W. Spekkens. "Varför initiala system-miljö-korrelationer inte innebär att fullständig positivitet misslyckas: ett kausalt perspektiv". Phys. Rev. A 100, 022112 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.022112

[39] Lucien Hardy. "Omformulera och rekonstruera kvantteori" (2011). URL: https://​/​arxiv.org/​abs/​1104.2066.
arXiv: 1104.2066

[40] Berthold-Georg Englert. "Franssynlighet och vilken-vägsinformation: En ojämlikhet". Phys. Rev. Lett. 77, 2154-2157 (1996).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.77.2154

[41] Andrew JP Garner, Oscar CO Dahlsten, Yoshifumi Nakata, Mio Murao och Vlatko Vedral. "Ett ramverk för fas och interferens i generaliserade probabilistiska teorier". New Journal of Physics 15, 093044 (2013).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​15/​9/​093044

[42] David Schmid, John H Selby och Robert W Spekkens. "Att adressera några vanliga invändningar mot generaliserad ickekontextualitet" (2023). URL: https://​/​arxiv.org/​abs/​2302.07282.
arXiv: 2302.07282

[43] Matthew F. Pusey, Lídia del Rio och Bettina Meyer. "Kontextualitet utan tillgång till en tomografiskt komplett uppsättning" (2019). URL: https://​/​arxiv.org/​abs/​1904.08699.
arXiv: 1904.08699

[44] Robert W. Spekkens. "Kvasikvantisering: klassiska statistiska teorier med en epistemisk begränsning". Sidorna 83–135. Springer Nederländerna. Dordrecht (2016).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-94-017-7303-4_4

[45] Stephen D Bartlett, Terry Rudolph och Robert W Spekkens. "Rekonstruktion av gaussisk kvantmekanik från liouvillemekanik med en epistemisk begränsning". Phys. Rev. A 86, 012103 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.86.012103

[46] Robert W. Spekkens. "Den ontologiska identiteten hos empiriska oskiljbara: Leibniz metodologiska princip och dess betydelse i Einsteins arbete" (2019). URL: https://​/​arxiv.org/​abs/​1909.04628.
arXiv: 1909.04628

[47] Robert W. Spekkens. "Negativitet och kontextualitet är likvärdiga föreställningar om icke-klassicitet". Phys. Rev. Lett. 101, 020401 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.101.020401

[48] Cristhiano Duarte Barbara Amaral Marcelo Terra Cunha Roberto D. Baldijao, Rafael Wagner. "Ickekontextualitet som en betydelse av klassiskitet i kvantdarwinism" (2021). arXiv:2104.05734.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.030351
arXiv: 2104.05734

[49] Iman Marvian. "Otillgänglig information i probabilistiska modeller av kvantsystem, ojämlikheter i icke-kontextualitet och bruströsklar för kontextualitet" (2020). URL: https://​/​arxiv.org/​abs/​2003.05984.
arXiv: 2003.05984

[50] John H Selby, Elie Wolfe, David Schmid och Ana Belén Sainz. "Ett linjärt program med öppen källkod för att testa icke-klassicitet" (2022). URL: https://​/​arxiv.org/​abs/​2204.11905.
arXiv: 2204.11905

[51] JS Bell. "Om Einstein Podolsky Rosen-paradoxen". Physics 1, 195–200 (1964).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysicsPhysiqueFizika.1.195

[52] Matthew F. Pusey. "Anomala svaga värden är bevis på kontextualitet". Phys. Rev. Lett. 113, 200401 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.113.200401

[53] Robert W. Spekkens, D.H. Buzacott, A.J. Keehn, Ben Toner och G.J. Pryde. "Förberedelsekontextualitet driver paritets-omedveten multiplexering". Phys. Rev. Lett. 102, 010401 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.102.010401

[54] Andre Chailloux, Iordanis Kerenidis, Srijita Kundu och Jamie Sikora. "Optimala gränser för paritets-omedvetna direktåtkomstkoder". New J. Phys. 18, 045003 (2016).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​18/​4/​045003

[55] Andris Ambainis, Manik Banik, Anubhav Chaturvedi, Dmitry Kravchenko och Ashutosh Rai. "Parity Oblivious $d$-Level Random Access Codes and Class of Noncontextuality Inequalities" (2016). URL: http://​/​arxiv.org/​abs/​1607.05490.
arXiv: 1607.05490

[56] Debashis Saha, Paweł Horodecki och Marcin Pawłowski. "Statsoberoende kontextualitet främjar enkelriktad kommunikation". New J. Phys. 21, 093057 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / ab4149

[57] Robert Raussendorf. "Kontextualitet i mätningsbaserad kvantberäkning". Phys. Rev. A 88, 022322 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.88.022322

[58] Matty J Hoban, Earl T Campbell, Klearchos Loukopoulos och Dan E Browne. "Icke-adaptiv mätningsbaserad kvantberäkning och multiparts Bell-ojämlikheter". New J. Phys. 13, 023014 (2011).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​13/​2/​023014

[59] David Schmid, Haoxing Du, John H Selby och Matthew F Pusey. "Stabilisatorsubteorin har en unik ickekontextuell modell" (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.129.120403

[60] David Schmid och Robert W Spekkens. "Kontextuell fördel för statlig diskriminering". Phys. Rev. X 8, 011015 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.011015

[61] Matteo Lostaglio och Gabriel Senno. "Kontextuell fördel för tillståndsberoende kloning" (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-04-27-258

[62] Matteo Lostaglio. "Certifiering av kvantsignaturer inom termodynamik och metrologi via kontextualitet av kvantlinjär respons". Phys. Rev. Lett. 125, 230603 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.230603

[63] Farid Shahandeh. "Kontextualitet av allmänna sannolikhetsteorier och kraften hos en enda resurs" (2019). arXiv:1911.11059.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010330
arXiv: 1911.11059

[64] J. Barrett et al. "Icke-lokala korrelationer som en informationsteoretisk resurs". Phys. Rev. A 71, 022101 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.71.022101

[65] Gilad Gour och Robert W Spekkens. "Resursteorin om kvantreferensramar: manipulationer och monotoner". New J. Phys. 10, 033023 (2008).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​10/​3/​033023

[66] Victor Veitch, SA Hamed Mousavian, Daniel Gottesman och Joseph Emerson. "Resursteorin för stabilisatorkvantberäkning". New J. Phys. 16, 013009 (2014).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​16/​1/​013009

[67] Bob Coecke, Tobias Fritz och Robert W Spekkens. "En matematisk teori om resurser". Info. Comp. 250, 59–86 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.ic.2016.02.008

[68] Denis Rosset, Francesco Buscemi och Yeong-Cherng Liang. "Resursteori om kvantminnen och deras trogna verifiering med minimala antaganden". Phys. Rev. X 8, 021033 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.021033

[69] Iman Marvian och Robert W Spekkens. "Teorin om manipulationer av ren tillståndsasymmetri: I. grundläggande verktyg, ekvivalensklasser och enkelkopiatransformationer". New Journal of Physics 15, 033001 (2013).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​15/​3/​033001

[70] David Schmid, Thomas C. Fraser, Ravi Kunjwal, Ana Belen Sainz, Elie Wolfe och Robert W. Spekkens. "Förstå samspelet mellan intrassling och icke-lokalitet: motivera och utveckla en ny gren av förtrasslingsteori". Quantum 7, 1194 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2023-12-04-1194

[71] David Schmid, Denis Rosset och Francesco Buscemi. "Den typoberoende resursteorin om lokal verksamhet och delad slumpmässighet". Quantum 4, 262 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-04-30-262

Citerad av

[1] Vinicius P. Rossi, David Schmid, John H. Selby och Ana Belén Sainz, "Kontextualitet med försvinnande koherens och maximal robusthet mot avfasning", Fysisk granskning A 108 3, 032213 (2023).

[2] Giuseppe Vitagliano och Costantino Budroni, "Leggett-Garg makrorealism och tidsmässiga korrelationer", Fysisk granskning A 107 4, 040101 (2023).

[3] David Schmid, John H. Selby och Robert W. Spekkens, "Adressing some common objections to generalized noncontextuality", arXiv: 2302.07282, (2023).

[4] Lorenzo Catani, Matthew Leifer, Giovanni Scala, David Schmid och Robert W. Spekkens, "Aspects of the phenomenology of interference that is genuinely nonclassical", Fysisk granskning A 108 2, 022207 (2023).

Ovanstående citat är från SAO / NASA ADS (senast uppdaterad framgångsrikt 2024-01-03 15:51:26). Listan kan vara ofullständig eftersom inte alla utgivare tillhandahåller lämpliga och fullständiga citatdata.

Det gick inte att hämta Crossref citerade data under senaste försöket 2024-01-03 15:51:22: Det gick inte att hämta citerade data för 10.22331 / q-2024-01-03-1217 från Crossref. Detta är normalt om DOI registrerades nyligen.

Detta papper publiceras i Quantum under Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) licens. Upphovsrätten kvarstår med de ursprungliga upphovsrättsinnehavarna som författarna eller deras institutioner.

Tidsstämpel:

Mer från Quantum Journal