그 양자 역학은 성공적인 이론은 논쟁의 여지가 없습니다. 그것은 현미경에서 세계의 본질에 대한 놀랍도록 정확한 예측을 만듭니다. 거의 한 세기 동안 논쟁의 여지가있는 것은 존재하는 것이 무엇인지, 진짜인지에 대해 우리에게 말하는 것입니다. 이 질문에 대해 스스로 취하는 수많은 해석이 있으며, 각각 우리는 현실의 본질에 대한 특정하지 않은 주장, 따라서 가정을 구매해야합니다.
이제 새로운 사고 실험은 이러한 가정에 직면하고 양자 물리학의 기초를 흔들고 있습니다. 실험은 결정적으로 이상합니다. 예를 들어, 방금 관찰 된 이벤트의 메모리를 지울 수있는 측정을 수행해야합니다. 이것은 인간에게는 불가능하지만 양자 컴퓨터는이 이상한 실험을 수행하는 데 사용될 수 있으며 양자 물리학의 다른 해석을 잠재적으로 구별 할 수 있습니다.
캘리포니아 주 오렌지에있는 채프먼 대학교의 양자 물리학자인 Matthew Leifer는“때때로 모든 사람들이 생각하고 토론하는 논문을 얻습니다. "[이것은] 양자 기초에서 우리가 생각하는 이상한 것들의 캐논에 추가 될 사고 실험입니다."
.스위스 연방 기술 Institute of Technology Zurich의 Daniela Frauchiger와 Renato Renner가 디자인 한 실험에는 전적으로 합리적으로 보이는 일련의 가정이 포함됩니다. 그러나 실험은 모순으로 이어져서 가정 중 하나 이상이 잘못되었음을 시사합니다. 포기하는 가정의 선택은 양자 세계에 대한 우리의 이해에 영향을 미치며 양자 역학이 보편적 이론이 아닐 가능성을 지적하므로 인간과 같은 복잡한 시스템에 적용될 수 없습니다.
양자 물리학 자들은 양자를 설명하는 데 사용되는 방정식의 올바른 해석에 관해서는 악명 높게 나뉩니다. 그러나 새로운 사고 실험에서, 양자 세계에 대한 견해는 상처를받지 못한다. 각각은 하나 또는 다른 가정에 부딪칩니다. 현실에 대한 논란의 여지가없는 설명을 찾아서 완전히 새로운 것이 우리를 기다릴 수 있을까요?
양자 이론은 광자, 전자, 원자, 분자, 심지어 거대 분자의 규모에서 매우 잘 작동합니다. 그러나 거대 분자보다 훨씬 큰 시스템에 적용 할 수 있습니까? Renner는“우리는 양자 역학이 더 큰 규모로 적용된다는 사실을 실험적으로 확립하지 않았으며, 더 큰 것은 바이러스 나 작은 세포의 크기조차도 더 큰 것을 의미합니다. "특히, 우리는 그것이 인간의 크기와 더 적은 객체로 확장되는지 여부를 알지 못합니다.
이러한 경험적 증거의 부족에도 불구하고 물리학 자들은 양자 역학이 모든 규모의 시스템을 설명하는 데 사용될 수 있다고 생각합니다. 이 주장을 테스트하기 위해 Frauchiger와 Renner는 1960 년대에 물리학 자 Eugene Wigner가 처음으로 꿈꿔 왔던 무언가의 확장 인 사고 실험을 생각해 냈습니다. 새로운 실험은 양자 세계에서 두 사람이 동전 던지기의 결과와 같이 겉보기에 반박 할 수없는 결과에 대해 동의하지 않을 수 있음을 보여줍니다.
표준 양자 역학에서, 아 원자 입자와 같은 양자 시스템은 파도 함수라는 수학적 추상화로 표현된다. 물리학 자들은 입자의 파동 기능이 시간이 지남에 따라 어떻게 진화하는지 계산합니다.
그러나 파동 함수는 위치와 같은 입자의 특성에 대한 정확한 값을 제공하지 않습니다. 입자가 어디에 있는지 알고 싶다면 공간과 시간의 언제라도 파동 함수의 값을 사용하면 그 시점에서 입자를 찾을 확률을 계산할 수 있습니다. 우리가보기 전에, 파동 함수가 퍼지고, 입자가 다른 장소에있는 다른 확률을 일으킨다. 입자는 한 번에 여러 곳에있는 양자 중첩에 있다고합니다.
보다 일반적으로, 양자 시스템은 상태의 중첩에있을 수 있으며, 여기서 "상태"는 입자의 스핀과 같은 다른 특성을 참조 할 수 있습니다. Frauchiger-Renner 사고 실험의 대부분은 국가의 중첩으로 끝나는 복잡한 양자 물체 (아마도 인간조차도)를 조작하는 것과 관련이 있습니다.
실험에는 Alice, Alice의 친구, Bob 및 Bob의 친구 인 4 명의 요원이 있습니다. Alice의 친구는 Quantum 시스템을 측정하는 실험실 내부에 있으며 Alice는 외부에 있으며 실험실과 친구를 모두 모니터링합니다. Bob의 친구는 다른 실험실 내부에 있으며 Bob은 친구와 실험실을 관찰하여 둘 다 하나의 시스템으로 취급합니다.
첫 번째 실험실 내에서 Alice의 친구는 시간의 3 분의 1을 차지하도록 설계된 코인 던지기와 시간의 3 분의 2를 일으키도록 설계된 코인 토스를 효과적으로 측정합니다. 던지기가 머리가 올라가면 Alice의 친구는 스핀을 가리키는 입자를 준비하지만, 던지기가 꼬리가 올라 오면 동일한 부분의 중첩으로 입자를 준비하고 회전합니다.
앨리스의 친구는 입자를 밥의 친구에게 보내는데, 이는 입자의 스핀을 측정합니다. 결과를 바탕으로 밥의 친구는 이제 앨리스의 친구가 동전 던지기에서 본 것에 대해 주장 할 수 있습니다. 예를 들어 입자 스핀이 올라가는 것을 발견하면 동전이 꼬리가 올라온 것을 알고 있습니다.
실험은 계속됩니다. Alice는 친구와 실험실의 상태를 측정하여 모든 것을 하나의 양자 시스템으로 취급하고 양자 이론을 사용하여 예측을합니다. 밥은 친구와 실험실과 똑같이합니다. 여기에 첫 번째 가정이 온다 :에이전트는 다른 시스템, 심지어 양자 역학을 사용하여 다른 제제를 포함한 복잡한 시스템을 분석 할 수있다. 다시 말해, 양자 이론은 보편적이며, 실험실 전체 (및 그 안에있는 과학자)를 포함한 우주의 모든 것이 양자 역학의 규칙을 따릅니다.
이 가정을 통해 Alice는 친구와 실험실을 하나의 시스템으로 취급하고 내용을 포함하여 전체 실험실을 상태의 중첩으로 만드는 특별한 유형의 측정을 할 수 있습니다. 이것은 간단한 측정이 아니며 여기에는 사고 실험의 이상 함이 있습니다.
이 과정은 수평 및 수직으로 편광되는 중첩에있는 단일 광자를 고려하여 가장 잘 이해됩니다. 편광을 측정하고 수직 편광이라고 생각하십시오. 이제 광자가 수직 편광인지 확인하기 위해 계속 확인하면 항상 그 사실을 알게 될 것입니다. 그러나 수직 편광 광자를 측정하여 다른 방향으로 편광되는지 확인하면 수직에 45도 각도로 50 %의 확률로 50 %의 확률이 없다는 것을 알게 될 것입니다. 이제 수직 편광 광자라고 생각한 것을 측정하기 위해 되돌아 가면 더 이상 수직으로 양극화되지 않을 가능성이 있습니다. 오히려 수평 편광이됩니다. 45도 측정은 광자를 수평 및 수직으로 편광되는 중첩으로 다시 넣었습니다.
이것은 단일 입자에 대해 매우 훌륭하며, 이러한 측정은 실제 실험에서 충분히 검증되었습니다. 그러나 사고 실험에서 Frauchiger와 Renner는 복잡한 시스템과 비슷한 일을하기를 원합니다.
실험 의이 단계에서 앨리스의 친구는 이미 동전이 머리 나 꼬리를 보는 것을 보았습니다. 그러나 Alice의 복잡한 측정은 실험실 인 친구를 포함하여 Heads 및 을 보았습니다. 꼬리. 이 이상한 상태를 감안할 때, 실험이 Alice의 친구에게 더 많은 것을 요구하지 않는 것도 마찬가지입니다.
그러나 앨리스는 완료되지 않았습니다. 예 또는 아니오로 나올 수있는 복잡한 측정을 바탕으로 밥의 친구가 측정 한 결과를 추론 할 수 있습니다. 앨리스가 대답을 위해 예를 얻었다 고 말합니다. 그녀는 밥의 친구가 입자의 스핀이 올라온다는 것을 발견해야한다는 양자 역학을 사용하여 추론 할 수 있으므로 앨리스의 친구가 동전 던지기에 꼬리를 탔습니다.
.Alice 의이 주장은 그녀의 양자 이론 사용에 대한 또 다른 가정이 필요합니다. 그녀는 자신이 알고있는 것에 대해 추론 할뿐만 아니라 Bob의 친구가 어떻게 양자 이론을 사용하여 동전 던지기의 결과에 대한 결론에 도달했는지에 대한 이유가 있습니다. 앨리스는 그 결론을 자신의 결론을 내립니다. 이러한 일관성 가정은 양자 이론을 사용하는 다른 작용제에 의한 예측이 모순되지 않는다고 주장한다.
한편 밥은 친구와 실험실을 비슷하게 복잡하게 측정하여 양자 중첩에 넣을 수 있습니다. 답은 다시 예 또는 아니오 일 수 있습니다. 밥이 예를 얻는다면, 앨리스의 친구가 동전 던지기에서 머리를 보았을 것이라고 결론을 내릴 수 있도록 측정이 고안되었습니다.
Alice와 Bob은 동전 던지기 결과에 대한 자신의 주장을 측정하고 비교할 수 있다는 것이 분명합니다. 그러나 여기에는 또 다른 가정이 포함됩니다. 에이전트의 측정이 동전 던지기가 머리에 올랐다고 말하면, 동전 던지기가 꼬리가 든 반대 사실 - 동시에 사실이 될 수는 없습니다.
.설정은 이제 모순을 위해 익었습니다. Alice가 측정을 위해 예를 얻었을 때, 그녀는 동전 던지기가 꼬리를 올렸다는 것을 알게되었고, Bob이 측정을 위해 예를 얻을 때 동전 던지기가 머리에 올랐습니다. 대부분의 경우 Alice와 Bob은 반대의 답변을 얻을 것입니다. 그러나 Frauchiger와 Renner는 Alice와 Bob이 같은 실험에서 같은 실험에서 예를 얻을 것이라고 Alice의 친구가 머리인지 꼬리를 가지고 있는지에 대해 동의하지 않을 것이라고 보여 주었다. Renner는“따라서 두 사람 모두 과거 사건에 대해 이야기하고 있으며 둘 다 그것이 무엇인지 확신하지만 그들의 진술은 정확히 반대입니다. “그리고 그것은 모순입니다. 그것은 무언가 잘못되어야한다는 것을 보여줍니다.”
이로 인해 Frauchiger와 Renner는 사고 실험을 뒷받침하는 세 가지 가정 중 하나가 잘못되어야한다고 주장했습니다.
“과학은 그곳에서 멈 춥니 다. 우리는 단지 세 가지 중 하나가 틀렸다는 것을 알고 있으며, 어느 쪽이 위반되는지에 대한 좋은 주장을 할 수는 없습니다.”라고 Renner는 말했습니다. "이것은 이제 해석과 맛의 문제입니다."
다행스럽게도 양자 역학에 대한 풍부한 해석이 있으며, 거의 모든 사람들이 측정시 파동 기능에 발생하는 것과 관련이 있습니다. 입자의 위치를 취하십시오. 측정하기 전에, 우리는 어딘가에 입자를 찾는 확률 측면에서만 대화 할 수 있습니다. 측정시, 입자는 명확한 위치를 가정합니다. 코펜하겐 해석에서 측정은 파동 함수가 붕괴되며, 우리는 붕괴되기 전에 입자의 위치와 같은 속성에 대해 이야기 할 수 없습니다. 일부 물리학 자들은 코펜하겐 해석을 측정 할 때까지 속성이 실제적이지 않다는 주장으로 본다.
이 형태의“반 현실주의”는 오늘날 일부 양자 물리학 자들과 마찬가지로 아인슈타인에 대한 혐오였습니다. 특히 코펜하겐 해석이 측정을 구성하는 것에 대해 정확히 불분명하기 때문에 파동 함수의 붕괴를 일으키는 측정 개념도 마찬가지입니다. 대체 해석 또는 이론은 주로 현실 주의적 견해를 발전 시키려고 노력합니다 (양자 시스템은 관찰자 및 측정과 독립적 인 속성을 가지고 있거나 측정에 의한 붕괴 또는 둘 다를 피하십시오.
예를 들어, 많은 세계 해석은 파도 기능의 진화를 액면가로 취하고 그것이 붕괴되는 것을 거부합니다. 양자 동전 던지기가 머리 또는 꼬리가 될 수 있다면, 많은 세계 시나리오에서는 각각 다른 세상에서 두 결과가 발생합니다. 이를 감안할 때, 측정에 대한 결과는 단 하나 뿐이며 동전 던지기가 머리라면 동시에 꼬리가 될 수 없다고 가정합니다. 많은 세계에서 동전 던지기의 결과는 머리와 꼬리이며, 따라서 앨리스와 밥이 때때로 반대 대답을 얻을 수 있다는 사실은 모순이 아닙니다.
"나는 당신이 2 년 전에 나에게 물었다면, [우리의 실험]은 많은 세계가 실제로 좋은 해석이며 포기해야한다는 것을 보여 주었을 것입니다."Renner는 말했다.
는 말했다.이것은 또한 옥스포드 대학교의 이론적 물리학 자 데이비드 도이치 (David Deutsch)의 견해이며, 아르 크기 (Arxiv.org)에 처음 등장했을 때 프라우 치거-르네 너 신문을 알게된다. 이 논문의 버전에서 저자는 많은 세계 시나리오를 선호했습니다. ( Nature Communications 에 검토 및 출판 된 동료의 최신 버전 9 월에는 더 불가지론적인 입장을 취합니다.) 도이치는 사고 실험이 많은 세계를 계속 지원할 것이라고 생각합니다. "내게는 파도 기능 콜랩스 또는 단일 우주 버전의 양자 이론을 죽일 것이지만, 이미 돌이 죽었을 것"이라고 그는 말했다. "나는 그것이 더 큰 무기로 다시 공격하는 것이 어떤 목적으로 무엇을하는지 잘 모르겠습니다."
그러나 Renner는 그의 마음을 바 꾸었습니다. 그는 유효하지 않을 가능성이 가장 중요하다고 생각하는 것은 양자 역학이 보편적으로 적용 가능하다는 생각이라고 생각합니다.
이 가정은 예를 들어, 이름에서 알 수 있듯이 파도 함수의 자발적이고 임의의 붕괴에 대한 소위 자발적인 붕괴 이론에 의해 위반됩니다. 이러한 모델은 입자와 같은 소량 시스템이 거의 영원히 상태의 중첩 상태를 유지할 수 있지만 시스템이 더욱 커지면 자발적으로 고전 상태로 붕괴 될 가능성이 점점 더 커집니다. 측정은 단지 붕괴 된 시스템의 상태를 발견합니다.
자발적인 붕괴 이론에서, 양자 역학은 더 이상 임계 값 질량보다 큰 시스템에 적용될 수 없습니다. 그리고이 모델들은 아직 경험적으로 검증되지 않았지만 배제되지 않았습니다.
제네바 대학교의 니콜라스 기신 (Nicolas Gisin)은 프라우 치거-랜너 실험의 모순을 해결하는 방법으로 자발적인 붕괴 이론을 선호합니다. "그들의 수수께끼에서 벗어나는 길은 분명히``아니, 어느 시점에서는 중첩 원리가 더 이상 유지되지 않는다 ''고 말하는 것입니다.
양자 이론이 보편적으로 적용 가능하고 측정에 단일 결과가 있다는 가정을 유지하려면 나머지 가정, 일관성을 놓아야합니다. 양자 이론을 사용하는 다른 에이전트의 예측은 모순되지 않습니다.
Leifer는 Frauchiger-Renner 실험의 약간 변경된 버전을 사용하여 Copenhagen 스타일 이론이 사실이라면이 최종 가정 또는 그 변형이 가야 함을 보여주었습니다. Leifer의 분석에서, 이러한 이론은 보편적으로 적용 가능하고 반 현실적이라는 점에서 특정 속성을 공유합니다 (양자 시스템은 측정 전 위치와 같은 잘 정의 된 특성이 없음을 의미합니다. 이러한 속성을 감안할 때, 그의 연구는 모든 관찰자에게 객관적으로 사실 인 주어진 측정의 단일 결과가 없음을 암시합니다. 따라서 실험실 내부의 Alice의 친구를 위해 탐지기를 클릭하면 그녀에게는 객관적인 사실이지만 Quantum 이론을 사용하여 실험실 전체를 모델링하는 실험실을 벗어난 Alice에게는 그렇지 않습니다. 측정 결과는 관찰자의 관점에 따라 다릅니다.
Leifer는“코펜하겐 유형의 견해를 유지하려면이 관점 버전으로 가장 좋은 움직임이있는 것 같습니다. 그는 양자 베이지안주의 또는 QBISM과 같은 특정 해석이 이미 측정 결과가 관찰자에게 주관적이라는 입장을 채택했다고 지적했다.
.Renner는이 가정을 전적으로 포기하는 것이 에이전트가 서로의 지식 상태에 대해 알 수있는 수단으로 효과적인 이론의 능력을 파괴 할 것이라고 생각합니다. 그러한 이론은 독창적 인 것으로 기각 될 수있다. 따라서 주관적 인 사실을 향한 이론은 두 가지 반대되는 제약을 충족시키는 지식을 전달하는 몇 가지 수단을 재건해야합니다. 첫째, Frauchiger-Renner 실험에서 볼 수있는 역설을 자극하지 않을 정도로 약해야합니다. 그러나 독창적 인 혐의를 피하기에 충분히 강해야합니다. 아무도 아직 모든 사람의 만족도에 그러한 이론을 공식화하지 않았습니다.
Frauchiger-Renner 실험은 세 가지 현명한 가정 중 하나 사이에서 모순을 생성합니다. 캐나다 워털루의 이론 물리학 연구소의 Rob Spekkens는 양자 이론에 대한 다양한 해석이 어떻게 가정을 위반하는지 설명하기위한 노력이“매우 유용한 운동”이라고 말했다.
Spekkens는“이 사고 실험은 양자 이론의 해석에 대한 다른 캠프 간의 의견 차이를 조사하는 훌륭한 렌즈입니다. “저는 사람들이 일하기 전에 승인 한 옵션을 실제로 제거했다고 생각하지는 않지만, 다른 해석 캠프 가이 모순을 피하기 위해 믿어야하는 것을 정확하게 명확하게 설명했습니다. 이 문제 중 일부에 대한 사람들의 입장을 명확히하는 데 도움이되었습니다.”
이론가들이 해석을 구별 할 수 없다는 것을 감안할 때, 실험 주의자들은 문제를 더 밝히기 위해 사고 실험을 구현하는 방법에 대해 생각하고있다. 그러나 실험이 이상한 요구를 만들기 때문에 엄청난 작업이 될 것입니다. 예를 들어, Alice가 친구와 실험실을 특별하게 측정 할 때 친구의 뇌가 포함 된 모든 것을 주 중첩에 넣습니다.
수학적으로,이 복잡한 측정은 시스템의 시간 진화를 먼저 되 돌리는 것과 동일합니다. 따라서 에이전트의 기억이 지워지고 양자 시스템 (예 :에이전트가 측정 한 입자)이 원래 상태로 되돌아 간 다음 입자에 대한 간단한 측정을 수행한다고 호주의 Brisbane에있는 Griffith University의 Howard Wiseman은 말했다. 측정은 간단 할 수 있지만 Gisin은 외교적으로 다소 지적한 것처럼“뇌와 해당 에이전트의 기억을 포함한 에이전트를 역전시키는 것은 섬세한 부분입니다.”
.그럼에도 불구하고 Gisin은 실험실 내부의 에이전트 (Alice의 친구 및 Bob의 친구 역할)로 복잡한 양자 컴퓨터를 사용하여 실험을 수행 할 수 있다고 생각하는 데 반대하지 않습니다. 원칙적으로, 양자 컴퓨터의 시간 진화는 역전 될 수 있습니다. 한 가지 가능성은 양자 컴퓨터가 점점 더 복잡해 지더라도 이러한 실험은 표준 양자 역학의 예측을 복제 할 것이라는 점이다. 그러나 그렇지 않을 수도 있습니다. Gisin은“다른 대안은 우리 가이 양자 컴퓨터를 개발하는 동안 우리는 중첩 원리의 경계에 부딪 히고 실제로 양자 역학이 보편적이지 않다는 것입니다.
Leifer는 자신의 입장에서 새로운 무언가를지지하고 있습니다. "나는 양자 역학에 대한 올바른 해석이 위의 어느 것도 아니라고 생각한다"고 그는 말했다.
그는 아인슈타인이 그의 특별한 상대성 이론을 제시하기 전 당시에 양자 역학으로 현재 상황을 비유합니다. 실험 주의자들은“luminiferous 에테르”의 징후를 발견하지 못했다. 아인슈타인은 에테르가 없다고 주장했다. 대신 그는 공간과 시간이 가단성이 있음을 보여 주었다. Leifer는“프리 아이 슈타인은 그것이 변화 할 공간과 시간의 구조라고 말할 수 없었습니다.”라고 Leifer는 말했습니다.
양자 역학은 현재 비슷한 상황에 처해 있다고 그는 생각합니다. "우리는 세상이 사실이 아닌 방식에 대해 암묵적으로 가정하고있을 것"이라고 그는 말했다. “일단 우리가 그것을 바꾸면, 일단 우리가 그 가정을 수정하면 모든 것이 갑자기 제자리에 들어갈 것입니다. 그것은 일종의 희망입니다. 양자 역학에 대한 모든 해석에 회의적 인 사람은 이와 같은 생각을해야합니다. 그러한 가정에 대한 그럴듯한 후보가 무엇인지 말해 줄 수 있습니까? 글쎄, 내가 할 수 있다면, 나는 그 이론에 대해서만 노력하고있을 것입니다.”
