Друг Вигнера - Wigners friend

Друг Вигнера это мысленный эксперимент в теоретической квантовая физика, впервые задуманный физиком Юджин Вигнер в 1961 г.,^[1] и превратился в мысленный эксперимент Дэвид Дойч в 1985 г.^[2] Сценарий предполагает косвенное наблюдение квантовое измерение: An наблюдатель W наблюдает за другим наблюдателем F, который выполняет квантовое измерение в физической системе. Затем два наблюдателя формулируют утверждение о физической системе. государственный после измерения по законам квантовой теории. Однако в большинстве интерпретации квантовой теории, полученные утверждения двух наблюдателей противоречат друг другу. Это отражает кажущуюся несовместимость двух законов квантовой теории: детерминированного и непрерывного. эволюция во времени состояния замкнутой системы и недетерминированной разрывной крах состояния системы при измерении. Друг Вигнера, таким образом, напрямую связан с проблема измерения в квантовой механике с ее знаменитыми Кот Шредингера парадокс.

Предложены обобщения и расширения друга Вигнера. Два таких сценария с участием нескольких друзей были реализованы в лаборатории с использованием фотоны заменять друзей.^[3][4][5][6]

Мысленный эксперимент

Мысленный эксперимент предполагает, что друг Вигнера находится в лаборатории, и позволяет ему выполнить квантовое измерение физической системы (это может быть спиновая система или что-то подобное. Кот Шредингера ). Предполагается, что эта система находится в суперпозиция двух различных состояний, скажем, состояния 0 и состояния 1 (или «мертвого» и «живого», в случае кота Шредингера). Когда друг Вигнера измеряет систему в 0 / 1-основа, согласно квантовой механике, они получат один из двух возможных результатов (0 или 1) и система рушится в соответствующее состояние.

Теперь сам Вигнер моделирует сценарий вне лаборатории, зная, что внутри его друг в какой-то момент выполнит измерение 0/1 в физической системе. В соответствии с линейностью квантово-механических уравнений, Вигнер назначит состояние суперпозиции всей лаборатории (т. Е. Объединенной системе физической системы вместе с другом): Состояние суперпозиции лаборатории тогда является линейной комбинацией «система есть в состоянии 0 / друг измерил 0 »и« система в состоянии 1 / друг измерил 1 ».

Пусть теперь Вигнер спросит своего друга о результате измерения: какой бы ответ ни дал друг (0 или 1), Вигнер затем назначит состояние «система находится в состоянии 0 / друг измеряет 0» или «система находится в состоянии 1 /». друг отмерил 1 дюйм до лаборатории. Следовательно, суперпозиционное состояние лаборатории разрушается только тогда, когда он узнает о результате своего друга.

Однако, если только Вигнер не считается в «привилегированном положении в качестве главного наблюдателя»,^[1] точку зрения друга следует рассматривать как равнозначную, и именно здесь очевидное парадокс вступает в игру: с точки зрения друга, результат измерения был определен задолго до того, как Вигнер спросил об этом, и состояние физической системы уже рухнуло. Когда именно произошло обрушение? Было ли это, когда друг закончил свои измерения, или когда информация о его результате поступила в Вигнер? сознание ?

Математическое описание

Предположим для простоты, что физическая система является двухуровневой. вращение система ${\displaystyle S}$ с государствами ${\displaystyle |0\rangle _{S}}$ и ${\displaystyle |1\rangle _{S}}$ , соответствующие результатам измерений 0 и 1.

Первоначально, ${\displaystyle S}$ находится в суперпозиция государственный

${\displaystyle \alpha |0\rangle _{S}+\beta |1\rangle _{S}}$

и измеряется другом Вигнера (${\displaystyle F}$) в ${\displaystyle \{|0\rangle _{S},|1\rangle _{S}\}}$-основа. Тогда с вероятностью ${\displaystyle |\alpha |^{2}}$, ${\displaystyle F}$ будет измерять 0 и с вероятностью ${\displaystyle |\beta |^{2}}$, будет измерять 1.

С точки зрения друга, вращение рухнул в одно из его базовых состояний при его измерении, и, следовательно, они назначат спину состояние, соответствующее их результату измерения: если они получили 0, они назначат состояние ${\displaystyle |0\rangle _{S}}$ спину, если они набрали 1, они присваивают состояние ${\displaystyle |1\rangle _{S}}$ к спину.

Вигнер (${\displaystyle W}$) теперь моделирует комбинированную систему вращения вместе со своим другом (совместная система задается тензорное произведение ${\displaystyle S\otimes F}$). Таким образом, он принимает точку зрения за пределами ${\displaystyle F}$лаборатории, которая считается изолированной от среда. Следовательно, по законам квантовой механики для изолированные системы, состояние всей лаборатории меняется унитарно во время. Следовательно, правильное описание состояния суставной системы с точки зрения внешнего вида - это состояние суперпозиции

${\displaystyle \alpha (|0\rangle _{S}\otimes |0\rangle _{F})+\beta (|1\rangle _{S}\otimes |1\rangle _{F})}$,

куда ${\displaystyle |0\rangle _{F}}$ обозначает состояние друга, когда они измерили 0, и ${\displaystyle |1\rangle _{F}}$ обозначает состояние друга, когда они измерили 1.

Для начального состояния ${\displaystyle |0\rangle _{S}}$ из ${\displaystyle S}$, состояние для ${\displaystyle S\otimes F}$ было бы ${\displaystyle |0\rangle _{S}\otimes |0\rangle _{F}}$ после ${\displaystyle F}$с измерение, а для начального состояния ${\displaystyle |1\rangle _{S}}$, Штат ${\displaystyle S\otimes F}$ было бы ${\displaystyle |1\rangle _{S}\otimes |1\rangle _{F}}$. Теперь по линейности Квантово-механические уравнения движения Шредингера, начальное состояние ${\displaystyle \alpha |0\rangle _{S}+\beta |1\rangle _{S}}$ за ${\displaystyle S}$ приводит к суперпозиции ${\displaystyle \alpha (|0\rangle _{S}\otimes |0\rangle _{F})+\beta (|1\rangle _{S}\otimes |1\rangle _{F})}$ за ${\displaystyle S\otimes F}$.

Обсуждение

Сознание и друг Вигнера

Юджин Вигнер разработал мысленный эксперимент, чтобы проиллюстрировать свою веру в то, что сознание необходимо для квантово-механическое измерение процесс (и, следовательно, это сознание в целом должно быть «конечной реальностью»^[1] в соответствии с Декарт "s"Мыслю, следовательно, существую «философия»: «Все, что квантовая механика пытается обеспечить, - это вероятностные связи между последующими впечатлениями (также называемыми« апперцепциями ») сознания».^[1]

Здесь под «впечатлениями сознания» понимаются конкретные знания о (измеряемой) системе, т. Е. Результат наблюдения. Таким образом, содержание сознания - это в точности все знания о своем внешнем мире, а измерения определяются как взаимодействия, которые создают впечатления в нашем сознании. Поскольку знания о любых квантово-механическая волновая функция основано на таких впечатлениях, волновая функция физической системы изменяется, как только информация о системе входит в наше сознание. Эта идея получила название "сознание вызывает коллапс "толкование.

В мысленном эксперименте друга Вигнера эта точка зрения (Вигнера) выражается следующим образом:

Сознание друга "впечатляет" их измерение вращение, и поэтому они могут присвоить ему волновую функцию в соответствии с характером своего впечатления. Вигнер, не имея доступа к этой информации, может только назначить волновую функцию ${\displaystyle \alpha (|0\rangle _{S}\otimes |0\rangle _{F})+\beta (|1\rangle _{S}\otimes |1\rangle _{F})}$к совместной системе вращения и друга после взаимодействия. Когда он затем спрашивает своего друга о результате измерения, сознание Вигнера «впечатляется» ответом друга: в результате Вигнер сможет назначить волновую функцию спиновой системе, т. Е. Присвоит ей волновую функцию. соответствует ответу друга.

Пока что в теории измерения нет противоречий. Однако затем Вигнер узнает (снова спрашивая своего друга), что чувства / мысли его друга по поводу результата измерения были в его уме задолго до того, как Вигнер вообще спросил о них. Следовательно, правильная волновая функция для совместной системы спина и друга сразу после взаимодействия должна быть либо ${\displaystyle |0\rangle _{S}\otimes |0\rangle _{F}}$или же ${\displaystyle |1\rangle _{S}\otimes |1\rangle _{F}}$, а не их линейная комбинация. Отсюда и противоречие, в частности, в трактовке «сознание вызывает коллапс».

Затем Вигнер следует, что «существо с сознанием должно играть иную роль в квантовой механике, чем неодушевленное измерительное устройство»:^[1] Если бы друга заменили каким-нибудь измерительным прибором без сознания, суперпозиция состояние правильно описало бы совместную систему вращения и устройства. Вдобавок Вигнер считает абсурдным состояние суперпозиции для человека, так как друг не мог находиться в состоянии «приостановленного действия».^[1] прежде, чем они ответили на вопрос. Эта точка зрения требует, чтобы уравнения квантовой механики были нелинейными. Вигнер считает, что законы физики должны быть изменены, если допустить включение сознательных существ.

Вышеупомянутое и другие оригинальные замечания Вигнера о его друге появились в его статье «Замечания по вопросу о разуме и теле», опубликованной в книге. Ученый предполагает (1961), под редакцией И. Дж. Хорошо. Статья перепечатана в собственной книге Вигнера. Симметрии и размышления (1967).

Контраргумент

Контраргумент состоит в том, что наложение двух сознательных состояний не является парадоксальным - так же, как нет взаимодействия между множественными квантовыми состояниями частицы, наложенные друг на друга сознания не обязательно должны знать друг друга.^[7]

Считается, что состояние восприятия наблюдателя связано с состоянием кошки. Состояние восприятия «Я воспринимаю живую кошку» сопровождает состояние «живой кошки», а состояние восприятия «Я воспринимаю мертвую кошку» сопровождает состояние «мертвой кошки». ... Затем предполагается, что воспринимающее существо всегда находит свое состояние восприятия в одном из этих двух; соответственно, кошка в воспринимаемом мире либо жива, либо мертва. ... Я хочу прояснить, что в нынешнем виде это далеко не разрешение кошачьего парадокса. Ибо в формализме квантовой механики нет ничего, что требовало бы, чтобы состояние сознания не могло включать одновременное восприятие живой и мертвой кошки.

— Роджер Пенроуз

Друг Вигнера в многомировой интерпретации

Различные версии интерпретация многих миров избегайте необходимости постулировать, что сознание вызывает коллапс - более того, этот коллапс вообще происходит.

Хью Эверетт III докторская диссертация "Формулировка "относительного состояния" квантовой механики "^[8] служит основой для многих современных версий многомировых интерпретаций. Во вступительной части своей работы Эверетт обсуждает «забавное, но чрезвычайно гипотетический драма »парадокса друга Вигнера. Обратите внимание, что есть свидетельства прорисовки сценария в раннем варианте тезиса Эверетта.^[9] Таким образом, именно Эверетт представил первое письменное обсуждение проблемы за четыре или пять лет до ее обсуждения в «Замечаниях по вопросу о разуме и теле».^[1] Вигнера, в результате чего он получил имя и известность. Однако, поскольку Эверетт был учеником Вигнера, ясно, что они должны были обсудить это вместе в какой-то момент.^[9]

В отличие от своего учителя Вигнера, который считал сознание наблюдателя ответственным за коллапс, Эверетт понимает сценарий друга Вигнера по-другому: настаивая на том, что присвоение квантовых состояний должно быть объективным и неперспективным, Эверетт выводит прямое логическое противоречие, когда позволяя ${\displaystyle F}$ и ${\displaystyle W}$ причина о состоянии лаборатории ${\displaystyle S}$ вместе с ${\displaystyle F}$. Затем сценарий друга Вигнера показывает Эверетту несовместимость постулата коллапса для описания измерений с детерминированной эволюцией замкнутых систем.^[10] В контексте своей новой теории Эверетт утверждает, что разрешает парадокс друга Вигнера, допуская только непрерывную эволюцию волновой функции Вселенной за единицу времени. Измерения моделируются как взаимодействия между подсистемами вселенной и проявляются как ветвление универсального состояния. Различные ветви учитывают различные возможные результаты измерений и рассматриваются как субъективные переживания соответствующих наблюдателей.

Объективные теории коллапса

В соответствии с объективные теории коллапса коллапс волновой функции происходит, когда наложенная система достигает определенного объективного порога размера или сложности. Сторонники объективного коллапса ожидают, что такая макроскопическая, как кошка, система рухнет до того, как ящик будет открыт, поэтому вопрос наблюдения наблюдателей для них не возникает.^[11] Если бы измеряемая система была намного проще (например, с одним спиновым состоянием), то после проведения наблюдения можно было бы ожидать коллапса системы, поскольку большая система, состоящая из ученого, оборудования и помещения, считалась бы слишком сложной, чтобы запутаться в ней. суперпозиция.

QBism

В интерпретации, известной как QBism, за которую выступает Н. Дэвид Мермин среди прочего, ситуация друга Вигнера не приводит к парадоксу, потому что никогда не бывает однозначно правильной волновой функции для любой системы. Вместо этого волновая функция является выражением персоналист байесовский вероятности, и более того, вероятности, которые кодируют волновые функции, являются вероятностями для событий, которые также являются личными для агента, который их переживает.^[12] Как выразился фон Байер, «волновые функции не привязаны к электронам и не переносятся, как нимбы, парящие над головами святых - они назначаются агентом и зависят от всей информации, доступной агенту».^[13] Следовательно, в принципе нет ничего плохого в том, что Вигнер и его друг назначают разные волновые функции одной и той же системе. Аналогичную позицию занимает Брукнер, аргументируя это развитием сценария друга Вигнера.^[11]

QBism и реляционная квантовая механика утверждалось, чтобы избежать противоречия, предложенного расширенным сценарием друга Вигнера Фраухигера и Реннера.^[14]

Расширение эксперимента друга Вигнера

В 2016 году Фраучигер и Реннер использовали развитие сценария друга Вигнера, чтобы доказать, что квантовая теория не может использоваться для моделирования физических систем, которые сами являются агентами, использующими квантовую теорию.^[15] Они обеспечивают теоретико-информационный анализ двух специфически связанных пар экспериментов «друга Вигнера», в которых наблюдатели моделируются в рамках квантовой теории. Затем, позволяя четырем различным агентам рассуждать о результатах измерений друг друга (используя законы квантовой механики), получаются противоречивые утверждения.

Полученная теорема подчеркивает несовместимость ряда предположений, которые обычно принимаются как должное при моделировании измерений в квантовой механике.

В заголовке опубликованной версии за сентябрь 2018 г.^[15] интерпретация авторами их результатов очевидна: квантовая теория, как она изложена в учебнике и использовалась в многочисленных лабораторных экспериментах до настоящего времени, «не может последовательно описывать использование самой себя» в любом заданном (гипотетическом) сценарии. Значение этого результата в настоящее время является предметом многочисленных споров среди физиков как теоретической, так и экспериментальной квантовой механики. В частности, различные сторонники разных интерпретации квантовой механики оспаривают обоснованность аргумента Фраухигера – Реннера.^[16]

Мысленный эксперимент

Эксперимент был разработан с использованием комбинации аргументов Вигнера.^[1] (Друг Вигнера), Deutsch^[2] и Харди^[17] (видеть Парадокс Харди ).

Установка включает в себя ряд макроскопический агенты (наблюдатели ) выполнение предопределенных квантовые измерения в заданном временном порядке. Предполагается, что все эти агенты осведомлены обо всем эксперименте и могут использовать квантовая теория делать заявления о результатах измерений других людей. Дизайн мысленный эксперимент такова, что наблюдения различных агентов вместе с их логическими выводами, сделанными на основе квантово-теоретического анализа, дают противоречивые утверждения.

Сценарий примерно соответствует двум параллельным парам «Вигнеры» и друзья: ${\displaystyle F_{1}}$ с ${\displaystyle W_{1}}$ и ${\displaystyle F_{2}}$ с ${\displaystyle W_{2}}$. Каждый из друзей измеряет определенное вращение система, и каждый Вигнер измеряет лабораторию «своего» друга (включая друга).

Явные шаги мысленного эксперимента следующие:^[15]

• Шаг в ${\displaystyle t_{0}}$:

  ${\displaystyle F_{1}}$ измеряет кубит государственный ${\displaystyle R}$ подготовлен в ${\textstyle |\psi \rangle _{R}={\frac {1}{\sqrt {3}}}|h\rangle _{R}+{\sqrt {\frac {2}{3}}}|t\rangle _{R}}$ в ${\displaystyle \{h,t\}}$-основа и получает ${\displaystyle h}$ ("головы") или ${\displaystyle t}$ ("хвосты") с вероятностью ${\textstyle {\frac {1}{3}}}$ и ${\textstyle {\frac {2}{3}}}$, соответственно. В зависимости от этого исхода ${\displaystyle F_{1}}$ готовит спин-систему ${\displaystyle S}$ в состоянии ${\displaystyle |\psi \rangle _{S}}$и отправляет его ${\displaystyle F_{2}}$. Здесь, ${\textstyle |\psi \rangle _{S}=|{\downarrow }\rangle _{S}}$ если результат был ${\displaystyle h}$ и ${\textstyle |\psi \rangle _{S}=|{\rightarrow }\rangle _{S}={\frac {1}{\sqrt {2}}}|{\uparrow }\rangle _{S}+{\frac {1}{\sqrt {2}}}|{\downarrow }\rangle _{S}}$ если результат был ${\displaystyle t}$.

• Шаг в ${\displaystyle t_{1}}$:

  ${\displaystyle F_{2}}$ измеряет полученное вращение ${\displaystyle |\psi \rangle _{S}}$ в ${\displaystyle \{\uparrow ,\;\downarrow \}}$-основа.

• Шаг в ${\displaystyle t_{2}}$:

  ${\displaystyle W_{1}}$ меры ${\displaystyle L_{1}=R\otimes F_{1}}$ в ${\displaystyle \{|+\rangle _{L_{1}},|-\rangle _{L_{1}}\}}$-базис где ${\textstyle |+\rangle _{L_{1}}={\frac {1}{\sqrt {2}}}|h\rangle _{R}|h\rangle _{F_{1}}+{\frac {1}{\sqrt {2}}}|t\rangle _{R}|t\rangle _{F_{1}}}$ и ${\textstyle |-\rangle _{L_{1}}={\frac {1}{\sqrt {2}}}|h\rangle _{R}|h\rangle _{F_{1}}-{\frac {1}{\sqrt {2}}}|t\rangle _{R}|t\rangle _{F_{1}}}$.

• Шаг в ${\displaystyle t_{3}}$:

  ${\displaystyle W_{2}}$ меры ${\displaystyle L_{2}=S\otimes F_{2}}$ в ${\displaystyle \{|+\rangle _{L_{2}},|-\rangle _{L_{2}}\}}$-базис где ${\textstyle |+\rangle _{L_{2}}={\frac {1}{\sqrt {2}}}|{\downarrow }\rangle _{S}|{\downarrow }\rangle _{F_{2}}+{\frac {1}{\sqrt {2}}}|{\uparrow }\rangle _{S}|{\uparrow }\rangle _{F_{2}}}$ и ${\textstyle |-\rangle _{L_{2}}={\frac {1}{\sqrt {2}}}|{\downarrow }\rangle _{S}|{\downarrow }\rangle _{F_{2}}-{\frac {1}{\sqrt {2}}}|{\uparrow }\rangle _{S}|{\uparrow }\rangle _{F_{2}}}$.

• Шаг в ${\displaystyle t_{4}}$:

  Результаты измерения ${\displaystyle W_{1}}$ и ${\displaystyle W_{2}}$ сравниваются: Если оба получили ${\displaystyle minus}$ эксперимент остановлен. В противном случае протокол снова запускается с начального шага.

Каждый агент измеряет назначенную ему систему в определенном основа, как определено выше. Получив результат измерения, агент теперь начинает рассуждать о результатах других агентов, используя логические аргументы, совместимые с квантовой теорией. Предполагается, что все агенты знают об экспериментальном протоколе, и все они знают квантовую теорию. Это означает, что, получив определенный результат измерения, каждый агент может предсказать некоторые результаты измерений других агентов. В конце концов, все логические утверждения агентов объединяются и после повторения эксперимента ${\displaystyle n}$ раз возникает противоречие.

Обратите внимание, что Вигнеры ${\displaystyle W_{1}}$ и ${\displaystyle W_{2}}$ посмотрите на лаборатории ${\displaystyle L_{1}}$ и ${\displaystyle L_{2}}$ извне, то есть предполагается, что они считают лаборатории совершенно изолированными. Следовательно, они моделируют это как чистое состояние суперпозиции до того момента, когда они сами измерили свою лабораторию. Однако, хотя лаборатория ${\displaystyle L_{2}}$ остается изолированные как система, расширенный эксперимент друга Вигнера построен так, что некоторая информация о состоянии ${\displaystyle S}$ доступен посторонним. Это достигается за счет того, что состояние ${\displaystyle S}$ зависеть от результата ${\displaystyle F_{1}}$измерение.

Теоретико-информационный анализ

Анализ мысленного эксперимента приводится в теоретико-информационный контекст: отдельные агенты делают логические выводы, основанные на результатах их измерений, с целью сделать предположения об измерениях других агентов в рамках протокола.^{[требуется разъяснение ]} Поэтому, используя квантово-теоретический анализ, они моделируют системы вне себя в рамках теории и делают выводы.

Следующие четыре утверждения могут быть выведены (см. Математический анализ ниже), соответствующие точкам зрения агентов:

• Заявление 1 от ${\displaystyle F_{1}}$: "Если я получу ${\displaystyle t}$, Я знаю это ${\displaystyle W_{2}}$ будет измерять ${\displaystyle plus}$"
• Заявление 2 автора ${\displaystyle F_{2}}$: "Если я получу ${\displaystyle \uparrow }$, Я знаю это ${\displaystyle F_{1}}$ измерил ${\displaystyle t}$"
• Заявление 3 ${\displaystyle W_{1}}$: "Если я получу ${\displaystyle minus}$, Я знаю это ${\displaystyle F_{2}}$ измерил ${\displaystyle \uparrow }$"
• Заявление 4 ${\displaystyle W_{2}}$: "Если я получу ${\displaystyle minus}$, Я знаю, что существует один раунд эксперимента, в котором ${\displaystyle W_{1}}$также получает ${\displaystyle minus}$"

Обратите внимание, что первые три утверждения всегда верны, четвертое верно только с вероятностью. ${\textstyle {\frac {1}{12}}}$(см. вывод ниже).

Противоречие возникает, когда четыре утверждения объединяются для случая, когда четвертое утверждение истинно, соответствующий раунд мы определяем как раунд. ${\displaystyle n}$. Поэтому в раунде ${\displaystyle n}$ эксперимента, ${\displaystyle W_{2}}$меры ${\displaystyle minus}$ и знает это ${\displaystyle W_{1}}$меры ${\displaystyle minus}$ также. Из последней части следует, что ${\displaystyle W_{2}}$знает это ${\displaystyle F_{2}}$ измерил ${\displaystyle \uparrow }$, откуда следует, что ${\displaystyle W_{2}}$ знает это ${\displaystyle F_{1}}$ получил ${\displaystyle t}$ что, в свою очередь, означает, что ${\displaystyle W_{2}}$ знает, что он сам измерит ${\displaystyle plus}$, поэтому возникает противоречие.

Теорема о запрете

Теорема формулирует несогласованность, обнаруженную в расширенном эксперименте друга Вигнера, как невозможность того, чтобы некоторые три данные предположения были одновременно действительными. Грубо говоря, эти предположения

(Q): Квантовая теория верно.

(С): Предсказания агента теоретически согласованы.

(S): А измерение дает только один единственный результат.

Точнее предположение (Q) включает вероятностные предсказания в рамках квантовой теории, заданные Родившееся правило. Это означает, что агент может доверять правильности этого правила при назначении вероятностей другим исходам, обусловленным его собственным результатом измерения. Однако для расширенного эксперимента друга Вигнера достаточно предположить справедливость Родившееся правило для случаев с вероятностью 1, т. е. если прогноз может быть сделан с уверенностью.

Предположение (S) указывает, что как только агент пришел к назначению вероятности 1 определенного результата для данного измерения, он никогда не сможет согласиться с другим результатом для того же измерения.

Предположение (С) вызывает согласованность между утверждениями различных агентов следующим образом: «Я знаю (по теории), что они знают (по той же теории), что x» эквивалентно "Я знаю, что х".

Допущения (Q) и (S) используются агентами при рассуждении о результатах измерения других агентов, а предположение (C) возникает, когда агент (${\displaystyle W_{2}}$) объединяет утверждения другого агента со своим собственным. Результат противоречив, и, следовательно, предположения (Q), (C) и (S) не могут быть все верными, поэтому запретная теорема.

Вывод четырех утверждений

Далее объясняется, как каждый из агентов приходит к своему заявлению:

Заявление 1 от ${\displaystyle F_{1}}$: "Если я получу ${\displaystyle t}$, Я знаю это ${\displaystyle W_{2}}$ будет измерять ${\displaystyle plus}$"

${\displaystyle F_{1}}$, при измерении ${\displaystyle t}$, переводит спиновую систему в состояние ${\displaystyle |{\rightarrow }\rangle _{S}}$ к ${\displaystyle F_{2}}$. Когда сейчас ${\displaystyle F_{2}}$ меры ${\displaystyle S}$ в ${\displaystyle \{\uparrow ,\downarrow \}}$-основа, ${\displaystyle F_{1}}$знает (используя квантовую теорию (Q)), что оба исхода возможны для ${\displaystyle F_{2}}$измерение. Это снова означает, что ${\displaystyle F_{1}}$ знает (опять же по (Q)), что комбинированная система ${\displaystyle L_{2}}$ из ${\displaystyle S}$ и ${\displaystyle F_{2}}$ будет казаться стороннему наблюдателю как ${\displaystyle W_{2}}$ как суперпозиция ${\textstyle {\frac {1}{\sqrt {2}}}|{\downarrow }\rangle _{S}|{\downarrow }\rangle _{F_{2}}+{\frac {1}{\sqrt {2}}}|{\uparrow }\rangle _{S}|{\uparrow }\rangle _{F_{2}}}$. Поскольку это именно ${\displaystyle |+\rangle _{L_{2}}}$ состояние ${\displaystyle W_{2}}$база измерения, ${\displaystyle F_{1}}$ знает это ${\displaystyle W_{2}}$ будет измерять ${\displaystyle plus}$.

Заявление 2 автора ${\displaystyle F_{2}}$ : "Если я получу ${\displaystyle \uparrow }$ , Я знаю это ${\displaystyle F_{1}}$ измерил ${\displaystyle t}$"

Если ${\displaystyle F_{2}}$ меры ${\displaystyle \uparrow }$они знают это ${\displaystyle F_{1}}$ мог только отправить вращение в состоянии ${\displaystyle |{\rightarrow }\rangle _{S}}$ ему, как государству ${\displaystyle |{\downarrow }\rangle _{S}}$ никогда не приведет к результату ${\displaystyle \uparrow }$ в спиновом измерении базы ${\displaystyle \{\uparrow ,\downarrow \}}$.

Заявление 3 ${\displaystyle W_{1}}$: "Если я получу ${\displaystyle minus}$, Я знаю это ${\displaystyle F_{2}}$ измерил ${\displaystyle \uparrow }$"

В качестве ${\displaystyle W_{1}}$ моделирует две лаборатории ${\displaystyle L_{1}=R\otimes F_{1}}$ и ${\displaystyle L_{2}=S\otimes F_{2}}$ в рамках квантовой теории он записывает состояние в разное время. Он знает, что состояние во время ${\displaystyle t_{0}}$ протокола системы ${\displaystyle L_{1}\otimes L_{2}}$(т.е. после ${\displaystyle F_{1}}$измерение)

$${\displaystyle |\psi \rangle _{L_{1}\otimes L_{2}}^{t_{0}}={\frac {1}{\sqrt {3}}}|h\rangle _{R}|h\rangle _{F_{1}}|{\downarrow }\rangle _{S}|{\perp }\rangle _{F_{2}}+{\sqrt {\frac {2}{3}}}|t\rangle _{R}|t\rangle _{F_{1}}|{\rightarrow }\rangle _{S}|{\perp }\rangle _{F_{2}},}$$

куда ${\displaystyle |{\perp }\rangle _{F_{2}}}$обозначает агента ${\displaystyle F_{2}}$ состояние «готов к измерениям». После следующего шага протокола (${\displaystyle F_{2}}$ измерение во время ${\displaystyle t_{1}}$ ) это состояние переходит в

$${\displaystyle |\psi \rangle _{L_{1}\otimes L_{2}}^{t_{1}}={\frac {1}{\sqrt {3}}}|h\rangle _{R}|h\rangle _{F_{1}}|{\downarrow }\rangle _{S}|{\downarrow }\rangle _{F_{2}}+{\frac {1}{\sqrt {3}}}|t\rangle _{R}|t\rangle _{F_{1}}|{\downarrow }\rangle _{S}|{\downarrow }\rangle _{F_{2}}+{\frac {1}{\sqrt {3}}}|t\rangle _{R}|t\rangle _{F_{1}}|{\uparrow }\rangle _{S}|{\uparrow }\rangle _{F_{2}}}$$

что, в свою очередь, можно записать в ${\displaystyle \{|+\rangle _{L_{1}},|-\rangle _{L_{1}}\}}$-основа как

$${\displaystyle |\psi \rangle _{L_{1}\otimes L_{2}}^{t_{1}}={\sqrt {\frac {2}{3}}}|+\rangle _{L_{1}}|{\downarrow }\rangle _{S}|{\downarrow }\rangle _{F_{2}}+{\frac {1}{\sqrt {6}}}|+\rangle _{L_{1}}|{\uparrow }\rangle _{S}|{\uparrow }\rangle _{F_{2}}-{\frac {1}{\sqrt {6}}}|-\rangle _{L_{1}}|{\uparrow }\rangle _{S}|{\uparrow }\rangle _{F_{2}}.}$$

Из этого, ${\displaystyle W_{1}}$ можно с уверенностью заключить, что ${\displaystyle F_{2}}$ должен был измерить ${\displaystyle \uparrow }$ если ${\displaystyle W_{1}}$ получает результат ${\displaystyle minus}$.

Заявление 4 ${\displaystyle W_{2}}$ : "Если я получу ${\displaystyle minus}$, Я знаю, что существует один раунд эксперимента, в котором ${\displaystyle W_{1}}$также получает ${\displaystyle minus}$"

${\displaystyle W_{2}}$ также знает состояние обеих лабораторий ${\displaystyle L_{1}=R\otimes F_{1}}$ и ${\displaystyle L_{2}=S\otimes F_{2}}$ вместе. Он переформулирует ${\displaystyle |\psi \rangle _{L_{1}\otimes L_{2}}^{t_{1}}}$ в его собственной измерительной базе ${\displaystyle \{|+\rangle _{L_{2}},|-\rangle _{L_{2}}\}}$и получает

$${\displaystyle |\psi \rangle _{L_{1}\otimes L_{2}}^{t_{1}}={\frac {3}{\sqrt {12}}}|+\rangle _{L_{1}}|+\rangle _{L_{2}}+{\frac {1}{\sqrt {12}}}|+\rangle _{L_{1}}|-\rangle _{L_{2}}-{\frac {1}{\sqrt {12}}}|-\rangle _{L_{1}}|+\rangle _{L_{2}}+{\frac {1}{\sqrt {12}}}|-\rangle _{L_{1}}|-\rangle _{L_{2}}.}$$

Из этого он может сделать вывод, что если ${\displaystyle W_{1}}$и сам проводит свои измерения, с вероятностью ${\textstyle {\frac {1}{12}}}$, обе ${\displaystyle W_{1}}$ и ${\displaystyle W_{2}}$ получить результат ${\displaystyle minus}$.

Четыре утверждения можно легко прочитать из общего состояния ${\displaystyle |\psi \rangle _{L_{1},L_{2}}}$ для комбинированных ${\displaystyle L_{1}\otimes L_{2}}$, когда это состояние переписывается относительно разных базисных состояний, каждый выбор базисных состояний адаптируется к рассматриваемому утверждению. Нумерация переписываний, приведенных ниже, соответствует нумерации операторов с (1) по (4):

Из конструкции, описанной в шагах на ${\displaystyle t_{0}}$ и ${\displaystyle t_{1}}$, то есть после измерений в двух лабораториях ${\displaystyle L_{1}}$ и ${\displaystyle L_{2}}$${\displaystyle |\psi \rangle _{L_{1},L_{2}}={\frac {\sqrt {2}}{\sqrt {3}}}|t\rangle _{R,F_{1}}{\frac {1}{\sqrt {2}}}(|{\downarrow }\rangle _{S}|{\downarrow }\rangle _{F_{2}}+|{\uparrow }\rangle _{S}|{\uparrow }\rangle _{F_{2}})+{\frac {1}{\sqrt {3}}}|h\rangle _{R,F_{1}}|{\downarrow }\rangle _{S}|{\downarrow }\rangle _{F_{2}}}$

(1) переписано при сосредоточении внимания на дихотомии хвост / голова в лаборатории. ${\displaystyle L_{1}}$ : ${\displaystyle |\psi \rangle _{L_{1},L_{2}}={\frac {\sqrt {2}}{\sqrt {3}}}|t\rangle _{R,F_{1}}|+\rangle _{S,F_{2}}+{\frac {1}{\sqrt {3}}}|h\rangle _{R,F_{1}}|{\downarrow }\rangle _{S,F_{2}}}$

(2) переписано при сосредоточении внимания на дихотомии Up / Down в Lab ${\displaystyle L_{2}}$ : ${\displaystyle |\psi \rangle _{L_{1},L_{2}}={\frac {1}{\sqrt {3}}}|t\rangle _{R,F_{1}}|{\uparrow }\rangle _{S,F_{2}}+{\frac {\sqrt {2}}{\sqrt {3}}}|+\rangle _{R,F_{1}}|{\downarrow }\rangle _{S,F_{2}}}$

(3) переписано при сосредоточении внимания на дихотомии w1 +/− в Lab ${\displaystyle L_{1}}$ : ${\displaystyle |\psi \rangle _{L_{1},L_{2}}={\frac {1}{\sqrt {3}}}{\frac {1}{\sqrt {2}}}|+\rangle _{R,F_{1}}(2|{\downarrow }\rangle _{S,F_{2}}+|{\uparrow }\rangle _{S,F_{2}})-{\frac {1}{\sqrt {3}}}{\frac {1}{\sqrt {2}}}|-\rangle _{R,F_{1}}|{\uparrow }\rangle _{S,F_{2}}}$

(4) сосредоточение внимания на комбинациях плюса и минуса для обеих лабораторий: ${\displaystyle |\psi \rangle _{L_{1},L_{2}}={\frac {1}{2{\sqrt {3}}}}(|-\rangle _{R,F_{1}}(|-\rangle _{S,F_{2}}-|+\rangle _{S,F_{2}})+|+\rangle _{R,F_{1}}(|-\rangle _{S,F_{2}}+3|+\rangle _{S,F_{2}})}$

(Чтобы проверить правильность этих перезаписей, замените в операторах (1) - (3) все состояния линейными комбинациями «+» и «-», например, замените ${\displaystyle |t\rangle _{R,F_{1}}}$ к ${\displaystyle {\frac {1}{\sqrt {2}}}(|+\rangle _{R,F_{1}}-|-\rangle _{R,F_{1}})}$, и проверьте после этих замен, что все три в конечном итоге будут похожи на перезапись числа (4).)

Обсуждение

Смысл и последствия расширенного мысленного эксперимента друга Вигнера до сих пор очень обсуждаются. Ряд допущений, принятых в этой аргументации, очень фундаментальны по содержанию, и поэтому от них нелегко отказаться. Однако остается вопрос, существуют ли «скрытые» допущения, которые явно не фигурируют в аргументе. Сами авторы, похоже, выступают за отказ от их (неявного) предположения, что макроскопические агенты могут быть смоделированы как физические системы с помощью квантовой теории.^{[оригинальное исследование? ]} Их отказ затем приводит к выводу, что «квантовая теория не может быть экстраполирована на сложные системы, по крайней мере, не прямым способом».^[15] С другой стороны, одно представление эксперимента как квантовой схемы моделирует агентов как отдельные кубиты, а их рассуждения - как простые условные операции.^[18]

Влияние расширенного друга Вигнера мысленный эксперимент в текущей дискуссии об основах квантовой теории подчеркивается тем фактом, что ни одна из интерпретации квантовой механики может дать общепринятое объяснение.^{[оригинальное исследование? ]}

Глядя на переписывания, использованные для доказательств четырех утвержденийвидно, почему рассуждение, объединяющее первые три утверждения, может привести к выводу (${\displaystyle W_{1}}$ получает "-" подразумевает ${\displaystyle W_{2}}$ получает "+"), что противоречит построенному общему состоянию, в котором объединенная вероятность для (${\displaystyle W_{1}}$ получает "-" и ${\displaystyle W_{2}}$ получает "-"), не равно нулю, но равно ${\displaystyle {\frac {1}{12}}}$ (см. переписывание (4)). Причина в том, что утверждения содержат неявные предположения, которые противоречат друг другу. Например, утверждение (1) о более позднем ${\displaystyle W_{2}}$ измерения, предполагает, что лаборатория ${\displaystyle L_{2}}$ находится в суперпозиции состояний «вверх» и «вниз», т. е. что наблюдатель ${\displaystyle F_{2}}$ находится в двух состояниях, а именно: «вращение вверху» и «вращение вниз». Если ${\displaystyle W_{2}}$ хочет измерить относительно ${\displaystyle |\pm \rangle _{S,F_{2}}={\frac {1}{\sqrt {2}}}(|{\downarrow }\rangle _{S,F_{2}}\pm |{\uparrow }\rangle _{S,F_{2}})}$ основа, тогда ${\displaystyle W_{2}}$ имеет две возможности: либо (i) она строит свой тест-оператор проекции так, чтобы состояние "плюс" для ${\displaystyle F_{2}}$ станет суперпозицией «вверх» и «вниз», т.е. она не оставляет однозначного ${\displaystyle F_{2}}$ оставаться однозначным, или (ii) она меняет состояние ${\displaystyle F_{2}}$ в единственное состояние, больше не связанное с «вверх» или «вниз» спина (связь была результатом измерения как унитарной эволюции, как описано в шаге на ${\displaystyle t_{1}}$, и любое измерение, которое реализовано как унитарное преобразование, может быть отменено в принципе, если предоставлено достаточно информации, чтобы предотвратить увеличение энтропии во время преобразования). В обоих случаях отправная точка утверждения (2) отсутствует. Итак, вывод о более позднем ${\displaystyle W_{2}}$ измерение, такое как сделанное в утверждении (1), может быть выполнено только тогда, когда начальная точка утверждения (2), а именно ${\displaystyle F_{2}}$ однозначно думает о спине ${\displaystyle S}$ является ${\displaystyle \uparrow }$, будет сделано невыполненным.

В художественной литературе

Стивен Бакстер роман Времениподобная бесконечность (1992) обсуждает вариант мысленного эксперимента друга Вигнера через группу беженцев людей, названных «Друзьями Вигнера».^[19] Они верят, что конечный наблюдатель в конце времени может коллапсировать все возможные запутанные волновые функции, сгенерированные с начала Вселенной, поэтому выбирая реальность без угнетения.

Смотрите также

• Квантовое самоубийство

Рекомендации

1. Э. П. Вигнер (1961), «Замечания по вопросу разума и тела», in: И. Дж. Гуд, "Ученый размышляет", Лондон, Heinemann.
2. Дойч, Д. (1985). «Квантовая теория как универсальная физическая теория». Международный журнал теоретической физики. 24 (1): 1–41. Bibcode:1985IJTP ... 24 .... 1D. Дои:10.1007 / BF00670071. S2CID  17530632.
3. Пройетти, Массимилиано; Пикстон, Александр; Граффити, Франческо; Барроу, Питер; Кундыс, Дмитрий; Брансьярд, Кирилл; Рингбауэр, Мартин; Федриззи, Алессандро (20.09.2019). «Экспериментальная проверка независимости местного наблюдателя». Достижения науки. 5 (9): eaaw9832. arXiv:1902.05080. Bibcode:2019Наука .... 5.9832П. Дои:10.1126 / sciadv.aaw9832. ISSN  2375-2548. ЧВК  6754223. PMID  31555731.
4. Мерали, Зея (17 августа 2020 г.). «Этот поворот к парадоксу кошки Шредингера имеет большое значение для квантовой теории - лабораторная демонстрация классического мысленного эксперимента« друг Вигнера »может опровергнуть заветные предположения о реальности». Scientific American. Получено 17 августа 2020.
5. Мюссер, Джордж (17 августа 2020 г.). «Квантовый парадокс указывает на шаткие основы реальности». Научный журнал. Получено 17 августа 2020.
6. Бонг, Кок-Вэй; и другие. (17 августа 2020 г.). «Сильная непроходимая теорема о парадоксе друга Вигнера». Природа Физика. 27. Дои:10.1038 / с41567-020-0990-х. Получено 17 августа 2020.
7. Р. Пенроуз, Дорога к реальности, раздел 29.8.
8. Эверетт, Хью III. (1957). "'Формулировка относительного состояния квантовой механики ». Обзоры современной физики. 29 (3): 454–462. Bibcode:1957РвМП ... 29..454Э. Дои:10.1103 / RevModPhys.29.454.
9. Барретт, Дж. А., и Бирн, П. (ред.). (2012). Интерпретация квантовой механики Эверетта: Собрание сочинений 1955–1980 гг. С комментариями.. Издательство Принстонского университета.
10. Барретт, Джеффри (2016-10-10). "Формулировка относительного состояния квантовой механики Эверетта". Стэнфордская энциклопедия философии.
11. Брукнер, Часлав (2017). «К проблеме квантового измерения». Quantum [Un] Speakables II: 50 лет теореме Белла. Springer. arXiv:1507.05255. Дои:10.1007/978-3-319-38987-5. ISBN  978-3-319-38985-1. OCLC  1042356376.
12. Хили, Ричард (22 декабря 2016 г.). «Квантово-байесовские и прагматические взгляды на квантовую теорию». Стэнфордская энциклопедия философии.
13. фон Байер, Ганс Кристиан (2016). QBism: будущее квантовой физики. Издательство Гарвардского университета. ISBN  9780674504646. OCLC  946907398.
14. Пьюзи, Мэтью Ф. (18.09.2018). «Непоследовательный друг». Природа Физика. 14 (10): 977–978. Дои:10.1038 / s41567-018-0293-7. ISSN  1745-2473. S2CID  126294105.
15. Фраучигер, Даниэла; Реннер, Ренато (2018). «Квантовая теория не может последовательно описывать использование самой себя». Nature Communications. 9 (1): 3711. arXiv:1604.07422. Bibcode:2016arXiv160407422F. Дои:10.1038 / s41467-018-05739-8. ЧВК  6143649. PMID  30228272.
16. Ответы, занимающие различные позиции, включают следующее:
    • Бауманн, Вероника; Хансен, Арне; Вольф, Стефан (03.11.2016). «Проблема измерения - это проблема измерения, проблема измерения». arXiv:1611.01111 [Quant-ph ].
    • Садбери, Энтони (2017-05-01). "Теория единого мира расширенного эксперимента друга Вигнера". Основы физики. 47 (5): 658–669. arXiv:1608.05873. Bibcode:2017ФоФ ... 47..658с. Дои:10.1007 / s10701-017-0082-7. ISSN  0015-9018. S2CID  55241558.
    • Фукс, Кристофер (2017). «Несмотря на Бора, причины QBism». Разум и материя. 15 (2): 245–300. arXiv:1705.03483. Bibcode:2017arXiv170503483F.
    • Лалоэ, Франк (18.02.2018). «Можно ли считать квантовую механику непротиворечивой? Обсуждение аргументов Фраухингера и Реннера». arXiv:1802.06396 [Quant-ph ].
    • Баб, Джеффри (2018-04-27). «В защиту« единого мира »интерпретации квантовой механики». Исследования по истории и философии современной физики. arXiv:1804.03267. Дои:10.1016 / j.shpsb.2018.03.002. S2CID  67808700.
    • Лукашик, Шимон (13.05.2018). «Жизнь как объяснение проблемы измерения». arXiv:1805.05774. Bibcode:2018arXiv180505774L. Дои:10.13140 / RG.2.2.24517.91368.
    • Фукс, Кристофер (ведущий); Стейси, Блейк (редактор); Тисделл, Билл (редактор) (25 апреля 2018 г.). Некоторые принципы QBism. YouTube. Получено 2018-05-16.
17. Харди, Л. (1992). «Квантовая механика, локальные реалистические теории и лоренц-инвариантные реалистические теории». Письма с физическими проверками. 68 (20): 2981–2984. Bibcode:1992ПхРвЛ..68.2981Х. Дои:10.1103 / PhysRevLett.68.2981. PMID  10045577.
18. Мюссер, Джордж (24 декабря 2019 г.). "Наблюдая за стражами: демистификация эксперимента Фраухигера-Реннера". FQXi.org. Получено 28 декабря, 2019.
19. Сеймор, Сара (2013). Близкие контакты инвазивного типа: имперская история в избранных британских романах научной фантастики о встречах с инопланетянами после Второй мировой войны. LIT Verlag Münster. ISBN  978-3-643-90391-4. OCLC  881630932.