Any Consistent Coupling Between Classical Gravity And Quantum Matter Is Fundamentally Irreversible

เผยแพร่ซ้ำโดยเพลโต

ผู้ติดตาม: 0

โทมัส ดี. กัลลีย์¹, ฟลามิเนีย จาโคมินี่²และจอห์น เอช. เซลบี³

¹Institute for Quantum Optics and Quantum Information, Austrian Academy of Sciences, Boltzmanngasse 3, 1090 เวียนนา, ออสเตรีย
²สถาบันฟิสิกส์ทฤษฎี ETH Zürich, 8093 Zürich, Switzerland
³ICTQT, University of Gdańsk, Wita Stwosza 63, 80-308 Gdańsk, โปแลนด์

พบบทความนี้ที่น่าสนใจหรือต้องการหารือ? Scite หรือแสดงความคิดเห็นใน SciRate.

นามธรรม

When gravity is sourced by a quantum system, there is tension between its role as the mediator of a fundamental interaction, which is expected to acquire nonclassical features, and its role in determining the properties of spacetime, which is inherently classical. Fundamentally, this tension should result in breaking one of the fundamental principles of quantum theory or general relativity, but it is usually hard to assess which one without resorting to a specific model. Here, we answer this question in a theory-independent way using General Probabilistic Theories (GPTs). We consider the interactions of the gravitational field with a single matter system, and derive a no-go theorem showing that when gravity is classical at least one of the following assumptions needs to be violated: (i) Matter degrees of freedom are described by fully non-classical degrees of freedom; (ii) Interactions between matter degrees of freedom and the gravitational field are reversible; (iii) Matter degrees of freedom back-react on the gravitational field. We argue that this implies that theories of classical gravity and quantum matter must be fundamentally irreversible, as is the case in the recent model of Oppenheim et al. Conversely if we require that the interaction between quantum matter and the gravitational field is reversible, then the gravitational field must be non-classical.

สรุปยอดนิยม

A central question in modern physics is how to unify quantum theory and general relativity. Historically many arguments have been put forward claiming that unification of the two theories can only be obtained by quantizing the gravitational field, and indeed most approaches towards unification attempt to do so. In this paper we show that existing arguments for quantizing the gravitational field make important underlying assumptions such as reversibility of interactions and the possibility of preparing quantum superposition states. We prove a theorem, which does not depend on any theoretical description of gravity and matter, showing that any consistent coupling between classical gravity and fully quantum matter must be irreversible. This shows that consistency requirements alone do not dictate that gravity must be quantized, and moreover any attempt to unify classical gravity and fully quantum matter must necessarily feature irreversible interactions between matter and the gravitational field.

► ข้อมูล BibTeX

@article{Galley2023anyconsistent, doi = {10.22331/q-2023-10-16-1142}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2023-10-16-1142}, title = {Any consistent coupling between classical gravity and quantum matter is fundamentally irreversible}, author = {Galley, Thomas D. and Giacomini, Flaminia and Selby, John H.}, journal = {{Quantum}}, issn = {2521-327X}, publisher = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, volume = {7}, pages = {1142}, month = oct, year = {2023}<br /> }

► ข้อมูลอ้างอิง

[1] M Bahrami, A Bassi, S McMillen, M Paternostro, and H Ulbricht. “Is gravity quantum?” (2015). arXiv:1507.05733.
arXiv: 1507.05733

[2] Charis Anastopoulos and Bei-Lok Hu. “Probing a gravitational cat state”. Class. 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, and Gerard Milburn. “Spin entanglement witness for quantum gravity”. Phys. Rev. Lett. 119, 240401 (2017).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.240401

[4] Chiara Marletto and Vlatko Vedral. “Gravitationally induced entanglement between two massive particles is sufficient evidence of quantum effects in gravity”. Phys. Rev. Lett. 119, 240402 (2017).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.240402

[5] Chiara Marletto และ Vlatko Vedral “ทำไมเราต้องวัดปริมาณทุกสิ่ง รวมถึงแรงโน้มถ่วงด้วย” npj ข้อมูลควอนตัม 3, 1–5 (2017)
https://doi.org/10.1038/s41534-017-0028-0

[6] Matteo Carlesso, Mauro Paternostro, Hendrik Ulbricht, and Angelo Bassi. “When Cavendish meets Feynman: A quantum torsion balance for testing the quantumness of gravity” (2017). arXiv:1710.08695.
arXiv: 1710.08695

[7] Michael JW Hall and Marcel Reginatto. “On two recent proposals for witnessing nonclassical gravity”. J. Phys. A 51, 085303 (2018).
https://doi.org/10.1088/1751-8121/aaa734

[8] Chiara Marletto and Vlatko Vedral. “When can gravity path-entangle two spatially superposed masses?”. 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, and Markus Aspelmeyer. “Quantum superposition of massive objects and the quantization of gravity”. 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, and Markus Aspelmeyer. “Information content of the gravitational field of a quantum superposition”. Int. J. Mod. Phys. D 28, 1943001 (2019).
https://doi.org/10.1142/S0218271819430016

[11] Marios Christodoulou and Carlo Rovelli. “On the possibility of laboratory evidence for quantum superposition of geometries”. Phys. Lett. B 792, 64–68 (2019).
https://doi.org/10.1016/j.physletb.2019.03.015

[12] Charis Anastopoulos and Bei-Lok Hu. “Quantum superposition of two gravitational cat states”. Class. Quant. Grav. 37, 235012 (2020).
https://doi.org/10.1088/1361-6382/abbe6f

[13] Richard Howl, Vlatko Vedral, Devang Naik, Marios Christodoulou, Carlo Rovelli และ Aditya Iyer "Non-gaussianity เป็นลายเซ็นของทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัม" PRX ควอนตัม 2, 010325 (2021)
https://doi.org/10.1103/PRXQuantum.2.010325

[14] Ryan J Marshman, Anupam Mazumdar, and Sougato Bose. “Locality and entanglement in table-top testing of the quantum nature of linearized gravity”. Phys. Rev. A 101, 052110 (2020).
https://doi.org/10.1103/PhysRevA.101.052110

[15] Hadrien Chevalier, A. J. Paige, and M. S. Kim. “Witnessing the nonclassical nature of gravity in the presence of unknown interactions”. Phys. Rev. A 102, 022428 (2020). arXiv:2005.13922.
https://doi.org/10.1103/PhysRevA.102.022428
arXiv: 2005.13922

[16] ตันจุง คริสนันด้า, กัว เยา ธัม, เมาโร ปาเตอร์นอสโตร และโทมัส ปาเตเร็ก "การพัวพันควอนตัมที่สังเกตได้เนื่องจากแรงโน้มถ่วง" npj ข้อมูลควอนตัม 6, 1–6 (2020)
https://doi.org/10.1038/s41534-020-0243-y

[17] Chiara Marletto และ Vlatko Vedral “เป็นสักขีพยานในความไม่คลาสสิกนอกเหนือไปจากทฤษฎีควอนตัม” ฟิสิกส์ รายได้ ง. 102, 086012 (2020)
https://doi.org/10.1103/PhysRevD.102.086012

[18] Thomas D. Galley, Flaminia Giacomini, and John H. Selby. “A no-go theorem on the nature of the gravitational field beyond quantum theory”. Quantum 6, 779 (2022).
https://doi.org/10.22331/q-2022-08-17-779

[19] Soham Pal, Priya Batra, Tanjung Krisnanda, Tomasz Paterek, and T. S. Mahesh. “Experimental localisation of quantum entanglement through monitored classical mediator”. Quantum 5, 478 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-06-17-478

[20] Daniel Carney, Holger Müller, and Jacob M. Taylor. “Using an Atom Interferometer to Infer Gravitational Entanglement Generation”. 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, and Martin Bodo Plenio. “On the significance of interferometric revivals for the fundamental description of gravity”. Universe 8 (2022).
https://doi.org/10.3390/universe8020058

[22] Daine L. Danielson, Gautam Satishchandran, and Robert M. Wald. “Gravitationally mediated entanglement: Newtonian field versus gravitons”. Phys. Rev. D 105, 086001 (2022). arXiv:2112.10798.
https://doi.org/10.1103/PhysRevD.105.086001
arXiv: 2112.10798

[23] Adrian Kent and Damián Pitalúa-García. “Testing the nonclassicality of spacetime: What can we learn from Bell–Bose et al.-Marletto-Vedral experiments?”. 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, and Richard Howl. “Locally mediated entanglement in linearized quantum gravity”. 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, and Mike Schneider. “Quantum Gravity in a Laboratory?” (2022). arXiv:2205.09013.
arXiv: 2205.09013

[26] Marios Christodoulou, Andrea Di Biagio, Richard Howl, and 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, and 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, and Carlo Rovelli. “Quantum states of fields for quantum split sources”. Quantum 7, 958 (2023). arXiv:2207.10592.
https://doi.org/10.22331/q-2023-03-20-958
arXiv: 2207.10592

[29] Eduardo Martín-Martínez and T. Rick Perche. “What gravity mediated entanglement can really tell us about quantum gravity” (2022). arXiv:2208.09489.
arXiv: 2208.09489

[30] Chris Overstreet, Joseph Curti, Minjeong Kim, Peter Asenbaum, Mark A. Kasevich, and Flaminia Giacomini. “Inference of gravitational field superposition from quantum measurements” (2022). arXiv:2209.02214.
arXiv: 2209.02214

[31] มาร์คุส แอสเปลไมเยอร์ “เมื่อ Zeh พบกับ Feynman: วิธีหลีกเลี่ยงการปรากฏตัวของโลกคลาสสิกในการทดลองแรงโน้มถ่วง” ฟันดัม ทฤษฎี ฟิสิกส์ 204, 85–95 (2022). arXiv:2203.05587.
https://doi.org/10.1007/978-3-030-88781-0_5
arXiv: 2203.05587

[32] จอห์น เอส เบลล์. “ในความขัดแย้งของไอน์สไตน์ โพโดลสกี โรเซน” ฟิสิกส์ Physique Fizika 1, 195 (1964)
https://doi.org/10.1103/PhysicsPhysiqueFizika.1.195

[33] ลูเซียน ฮาร์ดี. “ทฤษฎีควอนตัมจากสัจพจน์ที่สมเหตุสมผลห้าประการ” (2001) arXiv:ปริมาณ-ph/0101012.
arXiv:ปริมาณ-ph/0101012

[34] โจนาธาน บาร์เร็ตต์. “การประมวลผลข้อมูลในทฤษฎีความน่าจะเป็นทั่วไป”. การตรวจร่างกาย ก 75, 032304 (2007).
https://doi.org/10.1103/PhysRevA.75.032304

[35] L. Diosi and J. J. Halliwell. “Coupling Classical and Quantum Variables using Continuous Quantum Measurement Theory”. Physical Review Letters 81, 2846–2849 (1998).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.81.2846

[36] J. Caro and L. L. Salcedo. “Impediments to mixing classical and quantum dynamics”. Physical Review A 60, 842–852 (1999).
https://doi.org/10.1103/PhysRevA.60.842

[37] Lajos Diósi, Nicolas Gisin, and Walter T. Strunz. “Quantum approach to coupling classical and quantum dynamics”. Physical Review A 61, 022108 (2000).
https://doi.org/10.1103/PhysRevA.61.022108

[38] Daniel R. Terno. “Inconsistency of quantum–classical dynamics, and what it implies”. Foundations of Physics 36, 102–111 (2006).
https://doi.org/10.1007/s10701-005-9007-y

[39] Hans-Thomas Elze. “Linear dynamics of quantum-classical hybrids”. Physical Review A 85, 052109 (2012).
https://doi.org/10.1103/PhysRevA.85.052109

[40] Jonathan Oppenheim. “A post-quantum theory of classical gravity?” (2018). arXiv:1811.03116.
arXiv: 1811.03116

[41] Jonathan Oppenheim, Carlo Sparaciari, Barbara Šoda, and Zachary Weller-Davies. “Gravitationally induced decoherence vs space-time diffusion: testing the quantum nature of gravity” (2022). arXiv:2203.01982.
arXiv: 2203.01982

[42] Isaac Layton, Jonathan Oppenheim, and Zachary Weller-Davies. “A healthier semi-classical dynamics” (2022). arXiv:2208.11722.
arXiv: 2208.11722

[43] เทโก ไฮโนซารี, ลีวี เลปปายาร์วี และมาร์ติน พลาวาลา “หลักการไม่มีข้อมูลอิสระในทฤษฎีความน่าจะเป็นทั่วไป”. ควอนตัม 3, 157 (2019)
https://doi.org/10.22331/q-2019-07-08-157

[44] Giulio Chiribella, Giacomo Mauro D`Ariano, and Paolo Perinotti. “Probabilistic theories with purification”. Physical Review A 81, 062348 (2010).
https://doi.org/10.1103/PhysRevA.81.062348

[45] David Bohm. “A suggested interpretation of the quantum theory in terms of” hidden” variables. I”. Physical review 85, 166 (1952).
https://doi.org/10.1103/PhysRev.85.166

[46] Hugh Everett. “The theory of the universal wave function”. In The many-worlds interpretation of quantum mechanics. Pages 1–140. Princeton University Press (2015).
https://doi.org/10.1515/9781400868056

[47] บ็อกดาน มิลนิค. “การเคลื่อนที่ของระบบไม่เชิงเส้น”. วารสารคณิตศาสตร์ฟิสิกส์ 21, 44–54 (1980).
https://doi.org/10.1063/1.524331

[48] M Reginatto และ MJW Hall “การโต้ตอบและการวัดแบบควอนตัมคลาสสิก: คำอธิบายที่สอดคล้องกันโดยใช้กลุ่มทางสถิติบนพื้นที่การกำหนดค่า” วารสารฟิสิกส์: Conference Series 174, 012038 (2009).
https://doi.org/10.1088/1742-6596/174/1/012038

[49] Lucien Hardy. “Probability theories with dynamic causal structure: a new framework for quantum gravity” (2005). arXiv:gr-qc/0509120.
arXiv:gr-qc/0509120

[50] Giulio Chiribella, GM D’Ariano, Paolo Perinotti, and 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, and Časlav Brukner. “Quantum correlations with no causal order”. Nature communications 3, 1092 (2012).
https://doi.org/10.1038/ncomms2076

[52] Eugene P Wigner. “Remarks on the mind-body question”. In Philosophical reflections and syntheses. Pages 247–260. Springer (1995).
https://doi.org/10.1007/978-3-642-78374-6_20

[53] Daniela Frauchiger and Renato Renner. “Quantum theory cannot consistently describe the use of itself”. Nature communications 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, and Howard M. Wiseman. “A strong no-go theorem on the wigner’s friend paradox”. Nature Physics 16, 1199–1205 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41567-020-0990-x

[55] Eric G. Cavalcanti and Howard M. Wiseman. “Implications of local friendliness violation for quantum causality”. Entropy 23 (2021).
https://doi.org/10.3390/e23080925

[56] David Schmid, Yìlè Yīng, and Matthew Leifer. “A review and analysis of six extended wigner’s friend arguments” (2023). arXiv:2308.16220.
arXiv: 2308.16220

[57] Yìlè Yīng, Marina Maciel Ansanelli, Andrea Di Biagio, Elie Wolfe, and Eric Gama Cavalcanti. “Relating wigner’s friend scenarios to nonclassical causal compatibility, monogamy relations, and fine tuning” (2023). arXiv:2309.12987.
arXiv: 2309.12987

[58] GM D’Ariano, Franco Manessi, and Paolo Perinotti. “Determinism without causality”. Physica Scripta 2014, 014013 (2014).
https://doi.org/10.1088/0031-8949/2014/T163/014013

[59] John H Selby, Maria E Stasinou, Stefano Gogioso, and Bob Coecke. “Time symmetry in quantum theories and beyond” (2022). arXiv:2209.07867.
arXiv: 2209.07867

[60] Matt Wilson, Giulio Chiribella, and Aleks Kissinger. “Quantum supermaps are characterized by locality” (2022). arXiv:2205.09844.
arXiv: 2205.09844

[61] Venkatesh Vilasini, Nuriya Nurgalieva, and Lídia del Rio. “Multi-agent paradoxes beyond quantum theory”. New Journal of Physics 21, 113028 (2019).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/ab4fc4

[62] Nick Ormrod, V Vilasini, and Jonathan Barrett. “Which theories have a measurement problem?” (2023). arXiv:2303.03353.
arXiv: 2303.03353

[63] Jonathan Barrett, Lucien Hardy และ Adrian Kent “ไม่มีการส่งสัญญาณและการกระจายคีย์ควอนตัม” จดหมายทบทวนทางกายภาพ 95, 010503 (2005)
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.95.010503

[64] ปีเตอร์ จานอตต้า และ เฮย์ ฮินริชเซ่น “ทฤษฎีความน่าจะเป็นทั่วไป: อะไรกำหนดโครงสร้างของทฤษฎีควอนตัม” วารสารฟิสิกส์ A: คณิตศาสตร์และทฤษฎี 47, 323001 (2014).
https://doi.org/10.1088/1751-8113/47/32/323001

[65] มาร์ติน พลาวาลา. “ทฤษฎีความน่าจะเป็นทั่วไป: บทนำ” (2021) arXiv:2103.07469.
arXiv: 2103.07469

[66] Giacomo Mauro D’Ariano, Paolo Perinotti, and Alessandro Tosini. “Information and disturbance in operational probabilistic theories” (2019). arXiv:1907.07043.
https://doi.org/10.22331/q-2020-11-16-363
arXiv: 1907.07043

[67] Stephen D. Bartlett, Terry Rudolph, and Robert W. Spekkens. “Reference frames, superselection rules, and quantum information”. Rev. Mod. Phys. 79, 555–609 (2007).
https://doi.org/10.1103/RevModPhys.79.555

[68] Mohammad Bahrami, André Großardt, Sandro Donadi, and Angelo Bassi. “The Schrödinger–Newton equation and its foundations”. New Journal of Physics 16, 115007 (2014).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/16/11/115007

[69] ไฮนซ์-ปีเตอร์ บรอยเออร์ และเอฟ. เพทรุชชิโอเน “ทฤษฎีระบบควอนตัมแบบเปิด” สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ด. อ็อกซ์ฟอร์ด ; นิวยอร์ก (2002)
https://doi.org/10.1093/acprof:oso/9780199213900.001.0001

[70] E G Beltrametti and S Bugajski. “A classical extension of quantum mechanics”. Journal of Physics A: Mathematical and General 28, 3329–3343 (1995).
https://doi.org/10.1088/0305-4470/28/12/007

[71] Daniel Carney and Jacob M. Taylor. “Strongly incoherent gravity” (2023). arXiv:2301.08378.
arXiv: 2301.08378

[72] บ็อกดาน มิลนิค. “กลศาสตร์ควอนตัมทั่วไป”. การสื่อสาร คณิตศาสตร์. ฟิสิกส์ 37, 221–256 (พ.ศ. 1974).
https://doi.org/10.1007/BF01646346

[73] Asher Peres and Daniel Terno. “Hybrid classical-quantum dynamics”. Physical Review A 63, 022101 (2001).
https://doi.org/10.1103/PhysRevA.63.022101

[74] จอห์น เซลบี้ และบ็อบ โคเอคเก้ “การรั่วไหล: ควอนตัม คลาสสิก ระดับกลาง และอื่นๆ” เอนโทรปี 19, 174 (2017)
https://doi.org/10.3390/e19040174

[75] จอห์น เอช. เซลบี, คาร์โล มาเรีย สคานโดโล และบ็อบ โคเอค “การสร้างทฤษฎีควอนตัมขึ้นใหม่จากสมมุติฐานไดอะแกรม” ควอนตัม 5, 445 (2021)
https://doi.org/10.22331/q-2021-04-28-445

[76] Bob Coecke, John Selby, and Sean Tull. “Two roads to classicality” (2017). arXiv:1701.07400.
arXiv: 1701.07400

อ้างโดย

บทความนี้เผยแพร่ใน Quantum ภายใต้ the ครีเอทีฟคอมมอนส์แบบแสดงที่มา 4.0 สากล (CC BY 4.0) ใบอนุญาต ลิขสิทธิ์ยังคงอยู่กับผู้ถือลิขสิทธิ์ดั้งเดิม เช่น ผู้เขียนหรือสถาบันของพวกเขา