Varje konsekvent koppling mellan klassisk gravitation och kvantmateria är i grunden irreversibel

Varje konsekvent koppling mellan klassisk gravitation och kvantmateria är i grunden irreversibel

Tidsstämpel: 16 oktober 2023 10:14
Källnod: 2940726

Thomas D. Galley1, Flaminia Giacomini2och John H. Selby3

1Institute for Quantum Optics and Quantum Information, Austrian Academy of Sciences, Boltzmanngasse 3, 1090 Wien, Österrike
2Institutet för teoretisk fysik, ETH Zürich, 8093 Zürich, Schweiz
3ICTQT, University of Gdańsk, Wita Stwosza 63, 80-308 Gdańsk, Polen

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

Abstrakt

När gravitationen kommer från ett kvantsystem, finns det en spänning mellan dess roll som förmedlare av en fundamental interaktion, som förväntas förvärva icke-klassiska drag, och dess roll i att bestämma egenskaperna hos rumtiden, vilket är klassiskt till sin natur. I grund och botten borde denna spänning resultera i att en av de grundläggande principerna för kvantteorin eller generell relativitet bryts, men det är vanligtvis svårt att bedöma vilken utan att tillgripa en specifik modell. Här svarar vi på denna fråga på ett teorioberoende sätt med hjälp av General Probabilistic Theories (GPTs). Vi betraktar gravitationsfältets interaktioner med ett enda materiasystem och härleder ett no-go-teorem som visar att när gravitationen är klassisk måste åtminstone ett av följande antaganden kränkas: (i) Materia frihetsgrader beskrivs av fullständigt icke-klassiska frihetsgrader; (ii) Interaktioner mellan materiens frihetsgrader och gravitationsfältet är reversibla; (iii) Materia frihetsgrader bakreagerar på gravitationsfältet. Vi hävdar att detta innebär att teorier om klassisk gravitation och kvantmateria måste vara fundamentalt irreversibla, vilket är fallet i den nya modellen av Oppenheim et al. Omvänt om vi kräver att interaktionen mellan kvantmateria och gravitationsfältet är reversibel, måste gravitationsfältet vara icke-klassiskt.

Populär sammanfattning

En central fråga inom modern fysik är hur man förenar kvantteori och allmän relativitet. Historiskt har många argument framförts som hävdar att enande av de två teorierna endast kan erhållas genom att kvantisera gravitationsfältet, och de flesta tillvägagångssätt mot enande försöker faktiskt göra det. I detta dokument visar vi att befintliga argument för att kvantisera gravitationsfältet gör viktiga underliggande antaganden såsom reversibilitet av interaktioner och möjligheten att förbereda kvantöverlagringstillstånd. Vi bevisar ett teorem, som inte beror på någon teoretisk beskrivning av gravitation och materia, vilket visar att varje konsekvent koppling mellan klassisk gravitation och helt kvantmateria måste vara irreversibel. Detta visar att konsistenskrav ensamma inte dikterar att gravitationen måste kvantiseras, och dessutom måste varje försök att förena klassisk gravitation och fullständigt kvantmateria nödvändigtvis ha irreversibla interaktioner mellan materia och gravitationsfältet.

► BibTeX-data

► Referenser

[1] M Bahrami, A Bassi, S McMillen, M Paternostro och H Ulbricht. "Är gravitationen kvantum?" (2015). arXiv:1507.05733.
arXiv: 1507.05733

[2] Charis Anastopoulos och Bei-Lok Hu. "Undersöka ett gravitationellt katttillstånd". Klass. 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 och Gerard Milburn. "Snurrförtrassling vittne om kvantgravitation". Phys. Rev. Lett. 119, 240401 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.240401

[4] Chiara Marletto och Vlatko Vedral. "Gravitationsinducerad intrassling mellan två massiva partiklar är tillräckligt bevis på kvanteffekter i gravitationen". Phys. Rev. Lett. 119, 240402 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.240402

[5] Chiara Marletto och Vlatko Vedral. "Varför måste vi kvantifiera allt, inklusive gravitationen". npj Quantum Information 3, 1–5 (2017).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-017-0028-0

[6] Matteo Carlesso, Mauro Paternostro, Hendrik Ulbricht och 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 och Marcel Reginatto. "Om två nya förslag för att bevittna icke-klassisk gravitation". J. Phys. A 51, 085303 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1751-8121 / aaa734

[8] Chiara Marletto och Vlatko Vedral. "När kan tyngdkraftsbanan trassla in två rumsligt överlagrade massor?". 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 och Markus Aspelmeyer. "Kvantöverlagring av massiva objekt och kvantisering av gravitationen". 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 och Markus Aspelmeyer. "Informationsinnehåll i gravitationsfältet för en kvantöverlagring". Int. J. Mod. Phys. D 28, 1943001 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1142 / S0218271819430016

[11] Marios Christodoulou och Carlo Rovelli. "Om möjligheten till laboratoriebevis för kvantöverlagring av geometrier". Phys. Lett. B 792, 64–68 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physletb.2019.03.015

[12] Charis Anastopoulos och Bei-Lok Hu. "Quantum superposition av två gravitationella katttillstånd". Klass. Kvant. Grav. 37, 235012 (2020).
https://​doi.org/​10.1088/​1361-6382/​abbe6f

[13] Richard Howl, Vlatko Vedral, Devang Naik, Marios Christodoulou, Carlo Rovelli och Aditya Iyer. "Icke-gaussianitet som en signatur för en kvantteori om gravitation". PRX Quantum 2, 010325 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010325

[14] Ryan J Marshman, Anupam Mazumdar och Sougato Bose. "Lokalitet och intrassling i bordstestning av den linjäriserade gravitationens kvantnatur". Phys. Rev. A 101, 052110 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.101.052110

[15] Hadrien Chevalier, AJ Paige och MS Kim. "Bevittna gravitationens icke-klassiska natur i närvaro av okända 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 och Tomasz Paterek. "Observerbar kvantintrassling på grund av gravitation". npj Quantum Information 6, 1–6 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41534-020-0243-y

[17] Chiara Marletto och Vlatko Vedral. "Bevittna icke-klassicitet bortom kvantteorin". Phys. Rev. D 102, 086012 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.102.086012

[18] Thomas D. Galley, Flaminia Giacomini och John H. Selby. "En no-go-sats om gravitationsfältets natur bortom kvantteorin". Quantum 6, 779 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-08-17-779

[19] Soham Pal, Priya Batra, Tanjung Krisnanda, Tomasz Paterek och TS Mahesh. "Experimentell lokalisering av kvantintrassling genom övervakad klassisk mediator". Quantum 5, 478 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-06-17-478

[20] Daniel Carney, Holger Müller och Jacob M. Taylor. "Att använda en atominterferometer för att härleda generering av gravitationell entanglement". 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 och Martin Bodo Plenio. "Om betydelsen av interferometriska väckelser för den grundläggande beskrivningen av gravitationen". Universum 8 (2022).
https: / / doi.org/ 10.3390 / universe8020058

[22] Daine L. Danielson, Gautam Satishchandran och Robert M. Wald. "Gravitationsmedierad intrassling: Newtonskt fält kontra gravitoner". Phys. Rev. D 105, 086001 (2022). arXiv:2112.10798.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.105.086001
arXiv: 2112.10798

[23] Adrian Kent och Damián Pitalúa-García. "Testa rymdtidens icke-klassicitet: Vad kan vi lära av Bell-Bose et al.-Marletto-Vedral-experiment?". 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 och Richard Howl. "Lokalt medierad intrassling i linjäriserad kvantgravitation". 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 och Mike Schneider. "Kvantumgravitation i ett laboratorium?" (2022). arXiv:2205.09013.
arXiv: 2205.09013

[26] Marios Christodoulou, Andrea Di Biagio, Richard Howl och Carlo Rovelli. "Gravity Entanglement, Quantum Reference Systems, Grades of Freedom" (2022). arXiv:2207.03138.
https://​/​doi.org/​10.1088/​1361-6382/​acb0aa
arXiv: 2207.03138

[27] Daine L. Danielson, Gautam Satishchandran och 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 och Carlo Rovelli. "Fältens kvanttillstånd för kvantuppdelade källor". Quantum 7, 958 (2023). arXiv:2207.10592.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2023-03-20-958
arXiv: 2207.10592

[29] Eduardo Martín-Martínez och T. Rick Perche. "Vad gravitationsmedierad intrassling verkligen kan berätta för oss om kvantgravitation" (2022). arXiv:2208.09489.
arXiv: 2208.09489

[30] Chris Overstreet, Joseph Curti, Minjeong Kim, Peter Asenbaum, Mark A. Kasevich och Flaminia Giacomini. "Inferens av gravitationsfältssuperposition från kvantmätningar" (2022). arXiv:2209.02214.
arXiv: 2209.02214

[31] Markus Aspelmeyer. "When Zeh Meets Feynman: How to Avoid the Appearance of a Classical World in Gravity Experiment". 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-paradoxen". Physics Physique Fizika 1, 195 (1964).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysicsPhysiqueFizika.1.195

[33] Lucien Hardy. "Kvanteori från fem rimliga axiom" (2001). arXiv:quant-ph/​0101012.
arXiv: kvant-ph / 0101012

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

[35] L. Diosi och JJ Halliwell. "Koppla klassiska och kvantvariabler med hjälp av kontinuerlig kvantmätningsteori". Physical Review Letters 81, 2846–2849 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.81.2846

[36] J. Caro och LL Salcedo. "Hinder för att blanda klassisk och kvantdynamik". Physical Review A 60, 842–852 (1999).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.60.842

[37] Lajos Diósi, Nicolas Gisin och Walter T. Strunz. "Kvantmetod för att koppla klassisk och kvantdynamik". Physical Review A 61, 022108 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.61.022108

[38] Daniel R. Terno. "Inkonsekvens av kvant-klassisk dynamik, och vad det innebär". Fundamenten för fysik 36, 102–111 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1007 / s10701-005-9007-y

[39] Hans-Thomas Elze. "Linjär dynamik hos kvantklassiska hybrider". Physical Review A 85, 052109 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.85.052109

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

[41] Jonathan Oppenheim, Carlo Sparaciari, Barbara Šoda och Zachary Weller-Davies. "Gravitationsinducerad dekoherens vs rum-tidsdiffusion: testa gravitationens kvantnatur" (2022). arXiv:2203.01982.
arXiv: 2203.01982

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

[43] Teiko Heinosaari, Leevi Leppäjärvi och Martin Plávala. "Ingen fri informationsprincip i allmänna sannolikhetsteorier". Quantum 3, 157 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-07-08-157

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

[45] David Bohm. "En föreslagen tolkning av kvantteorin i termer av" dolda" variabler. jag”. Physical review 85, 166 (1952).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.85.166

[46] Hugh Everett. "Teorin om den universella vågfunktionen". I The many-worlds interpretation of quantum mechanics. Sidorna 1–140. Princeton University Press (2015).
https: / / doi.org/ 10.1515 / 9781400868056

[47] Bogdan Mielnik. "Mobilitet för icke-linjära system". Journal of Mathematical Physics 21, 44–54 (1980).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.524331

[48] M Reginatto och MJW Hall. "Kvantklassisk interaktion och mätning: en konsekvent beskrivning med statistiska ensembler på konfigurationsutrymme". Journal of Physics: Conference Series 174, 012038 (2009).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1742-6596/​174/​1/​012038

[49] Lucien Hardy. "Sannolikhetsteorier med dynamisk kausal struktur: ett nytt ramverk för kvantgravitation" (2005). arXiv:gr-qc/​0509120.
arXiv: gr-qc / 0509120

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

[51] Ognyan Oreshkov, Fabio Costa och Časlav Brukner. "Kvantkorrelationer utan kausal ordning". Naturkommunikationer 3, 1092 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms2076

[52] Eugene P Wigner. "Anmärkningar om kropp-sinne-frågan". I Filosofiska reflektioner och synteser. Sidorna 247–260. Springer (1995).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-642-78374-6_20

[53] Daniela Frauchiger och Renato Renner. "Kvanteorin kan inte konsekvent beskriva användningen av sig själv". Naturkommunikationer 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 och Howard M. Wiseman. "En stark no-go-sats om wignerens vänparadox". Nature Physics 16, 1199–1205 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41567-020-0990-x

[55] Eric G. Cavalcanti och Howard M. Wiseman. "Konsekvenser av brott mot lokal vänlighet för kvantkausalitet". Entropy 23 (2021).
https: / / doi.org/ 10.3390 / e23080925

[56] David Schmid, Yìlè Ying och Matthew Leifer. "En genomgång och analys av sex utökade wigners vän-argument" (2023). arXiv:2308.16220.
arXiv: 2308.16220

[57] Yìlè Yīng, Marina Maciel Ansanelli, Andrea Di Biagio, Elie Wolfe och Eric Gama Cavalcanti. "Relaterar scenarier för wigners vän till icke-klassisk kausal kompatibilitet, monogami relationer och finjustering" (2023). arXiv:2309.12987.
arXiv: 2309.12987

[58] GM D'Ariano, Franco Manessi och Paolo Perinotti. "Determinism utan 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 och Bob Coecke. "Tidssymmetri i kvantteorier och därefter" (2022). arXiv:2209.07867.
arXiv: 2209.07867

[60] Matt Wilson, Giulio Chiribella och Aleks Kissinger. "Quantum superkartor kännetecknas av lokalitet" (2022). arXiv:2205.09844.
arXiv: 2205.09844

[61] Venkatesh Vilasini, Nuriya Nurgalieva och Lídia del Rio. "Multiagentparadoxer bortom kvantteorin". New Journal of Physics 21, 113028 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​ab4fc4

[62] Nick Ormrod, V Vilasini och Jonathan Barrett. "Vilka teorier har ett mätproblem?" (2023). arXiv:2303.03353.
arXiv: 2303.03353

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

[64] Peter Janotta och Haye Hinrichsen. "Generaliserade sannolikhetsteorier: vad bestämmer strukturen för kvantteorin?". Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical 47, 323001 (2014).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1751-8113/​47/​32/​323001

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

[66] Giacomo Mauro D'Ariano, Paolo Perinotti och Alessandro Tosini. "Information och störning i operationella probabilistiska teorier" (2019). arXiv:1907.07043.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-11-16-363
arXiv: 1907.07043

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

[68] Mohammad Bahrami, André Großardt, Sandro Donadi och Angelo Bassi. "Schrödinger-Newton-ekvationen och dess grunder". New Journal of Physics 16, 115007 (2014).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​16/​11/​115007

[69] Heinz-Peter Breuer och F. Petruccione. "Teorin om öppna kvantsystem". Oxford University Press. Oxford ; New York (2002).
https: / / doi.org/ 10.1093 / acprof: oso / 9780199213900.001.0001

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

[71] Daniel Carney och Jacob M. Taylor. "Starkt osammanhängande gravitation" (2023). arXiv:2301.08378.
arXiv: 2301.08378

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

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

[74] John Selby och Bob Coecke. "Läckor: kvant, klassisk, mellanliggande och mer". Entropy 19, 174 (2017).
https: / / doi.org/ 10.3390 / e19040174

[75] John H. Selby, Carlo Maria Scandolo och Bob Coecke. "Rekonstruera kvantteori från schematiska postulat". Quantum 5, 445 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-04-28-445

[76] Bob Coecke, John Selby och Sean Tull. "Två vägar till klassiskitet" (2017). arXiv:1701.07400.
arXiv: 1701.07400

Citerad av

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