양자 물리학이 이상하고 반 직관적이라는 명성을 가지고 있다는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 우리가 살고있는 세상은 양자 기계를 느끼지 않습니다. 그리고 20 세기까지, 모든 사람들은 이삭 뉴턴과 다른 사람들이 고안 한 물리학의 고전적인 법칙 (대상이 항상 잘 정의 된 위치와 속성을 가지고 있음)이 모든 규모에서 작동 할 것이라고 가정했습니다. 그러나 Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr 및 그들의 동시대 사람들은 원자와 아 원자 입자들 사이 에서이 구체성이 가능성의 수프에 용해된다는 것을 발견했습니다. 원자는 일반적으로 명확한 위치로 할당 될 수 없습니다. 예를 들어, 우리는 단지 다양한 장소에서 찾을 확률을 계산할 수 있습니다. 그러면 vexing 질문은 다음과 같이됩니다.
물리학 자들은 때때로이 전환에 대해“양자 고유의 전환”으로 이야기합니다. 그러나 실제로 크고 작은 사람은 근본적으로 다른 규칙을 가지고 있거나 그 사이에 갑자기 전환이 있다고 생각할 이유가 없습니다. 지난 수십 년 동안 연구자들은 입자 나 다른 현미경 시스템과 주변 환경 사이의 상호 작용을 통해 양자 역학이 필연적으로 고전적인 역학이되는 방법에 대한 더 큰 이해를 달성했습니다.
이 이론적 프레임 워크에서 가장 놀라운 아이디어 중 하나는 우리가 고전 물리와 관련된 물체의 명확한 특성 (위치 및 속도, 예를 들어, 진화에서 자연 선택과 유사하게 유사한 프로세스의 양자 가능성 메뉴에서 선택된다는 것입니다. 자연 선택과 마찬가지로 생존자들은 자신의 가장 많은 사본을 만드는 사람들입니다. 이것은 많은 독립적 인 관찰자들이 양자 시스템을 측정하고 결과에 동의 할 수 있음을 의미합니다.
Quantum Darwinism (QD)이라고 불리는이 아이디어는 원자와 기본 입자의 규모로 나타나는 독특한 방식이 아니라 세상을 경험하는 이유에 대해 많은 것을 설명합니다. 퍼즐의 측면은 해결되지 않은 상태로 유지되지만 QD는 양자와 고전 물리 사이의 명백한 균열을 치유하는 데 도움이됩니다.
그러나 최근에야 Quantum Darwinism이 실험 시험에 올랐다. 이탈리아, 중국 및 독일에서 독립적으로 일하는 3 개의 연구 그룹은 양자 시스템에 대한 정보가 다양한 통제 환경에서 반복적으로 각인되는 자연 선택 과정의 Telltale 서명을 찾았습니다. 이러한 테스트는 초보자이며 전문가들은 QD가 양자 역학이 제공하는 여러 옵션에서 구체적인 현실이 어떻게 응축되는지에 대한 올바른 그림을 제공한다고 확신하기 전에 여전히해야 할 일이 훨씬 더 많다고 말합니다. 그러나 지금까지 이론은 확인합니다.
적합성
의 생존Quantum Darwinism의 핵심에는 미끄러운 측정 개념, 즉 관찰 과정이 있습니다. 고전 물리학에서, 당신이 보는 것은 단순히 상황입니다. 당신은 시간당 200km로 이동하는 테니스 공이 속도이기 때문에 시간당 200km로 이동합니다. 더 할 말이 무엇입니까?
더 이상 사실이 아닌 양자 물리학에서. 양자 역학의 공식적인 수학적 절차가 양자 물체에서“사물이 어떻게”) 말하는 것은 전혀 분명하지 않습니다. 그들은 단지 우리가 측정 할 때 우리가 무엇을 볼 수 있는지 알려주는 처방에 불과합니다. 예를 들어, 양자 입자가 "중첩"으로 알려진 다양한 가능한 상태를 가질 수있는 방식을 취하십시오. 그렇다고해서 한 번에 여러 주에 있다는 의미는 아닙니다. 오히려, 우리가 측정을한다면 우리는 그러한 결과 중 하나를 보게 될 것임을 의미합니다. 측정하기 전에 다양한 정복 상태는 파괴적인 방식으로 서로를 방해하여 확률이 높거나 낮은 결과를 생성합니다.
그러나 왜 우리는 양자 중첩을 볼 수 없습니까? 입자 상태의 모든 가능성이 인간의 규모까지 바로 생존 할 수없는 이유는 무엇입니까?
종종 주어진 대답은 섬세한 양자 시스템이 시끄러운 환경에 의해 뷔페 일 때 중첩이 깨지기 쉽다는 것입니다. 그러나 그것은 옳지 않습니다. 두 양자 객체가 상호 작용하면 서로 "얽히게"되어 특성의 가능성이 상호 의존적 인 공유 양자 상태에 들어갑니다. 따라서 원자는 스핀이라는 양자 특성에 대해“up”과“down”이라고 불리는 두 가지 가능한 상태의 중첩에 넣습니다. 이제 원자는 공기로 방출되어 공기 분자와 충돌하여 얽히게됩니다. 두 사람은 이제 관절 중첩에 있습니다. 원자가 스핀 업이면, 공기 분자는 한 방향으로 밀려 나갈 수 있지만, 원자가 스핀 다운하면 공기 분자는 다른 방식으로 진행 되며이 두 가지 가능성이 공존합니다. 입자가 다른 공기 분자와 더 많은 충돌을 경험함에 따라, 얽힘이 퍼지고, 처음에는 원자에 특이적인 중첩이 더욱 확산됩니다. 원자의 정지 상태는 더 이상 서로 일관성있게 방해하지 않습니다. 이제는 주변 환경의 다른 상태 (아마도 큰 측정 기기)를 포함하여 다른 상태와 얽혀 있기 때문입니다. 그 측정 장치에서, 그것은 원자의 중첩이 사라지고 더 이상 서로 방해하지 않는 클래식과 같은 결과 메뉴로 대체 된 것처럼 보입니다.
.“양자”가 환경으로 사라지는이 과정을 디코 언도라고합니다. 양자 고급 전이의 중요한 부분으로, 많은 상호 작용하는 입자가있는 대형 시스템에서 양자 거동이보기 어려운 이유를 설명합니다. 프로세스는 매우 빠르게 발생합니다. 공기에 떠있는 전형적인 먼지 입자가 곡물 자체의 폭에 따라 분리 된 두 개의 다른 물리적 위치의 양자 중첩에 넣으면 공기 분자와의 충돌로 인해 약 10 초 안에 중첩이 감지 할 수 없습니다. 진공 상태에서도 가벼운 광자는 그러한 디코 언어를 매우 빨리 유발할 것입니다. 중첩을 파괴하지 않고는 곡물을 볼 수 없었습니다.
.놀랍게도, 디코 언어는 양자 역학의 직접적인 결과이지만, 1970 년대 독일 물리학 자 Heinz-Dieter Zeh에 의해서만 확인되었다. 폴란드 계 미국인 물리학 자 Wojciech Zurek은 1980 년대 초 아이디어를 더욱 발전 시켰으며 더 잘 알려졌으며 이제는 좋은 실험적 지원이 있습니다.
그러나 객관적이고 고전적인 현실의 출현을 설명하기 위해 디코 언가 양자 행동을 씻어내어 관찰자에게 고전적인 것처럼 보이게한다고 말하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 어떻게 든, 여러 관찰자가 양자 시스템의 특성에 대해 동의 할 수 있습니다. 뉴 멕시코의 Los Alamos National Laboratory에서 일하는 Zurek는 두 가지가 사실이어야한다고 주장합니다.
첫째, 양자 시스템에는 환경에 의한 파괴적인 해독에 직면하여 특히 강력한 상태가 있어야합니다. Zurek은 이러한 "포인터 상태"라고 부릅니다. 측정 기기의 다이얼에서 가능한 포인터 상태에서 인코딩 될 수 있기 때문입니다. 예를 들어, 입자의 특정 위치, 또는 그 속도, 양자 스핀의 값 또는 편광 방향은 측정 장치에서 포인터의 위치로 등록 될 수 있습니다. Zurek은 고전적인 행동 (잘 정의되고 안정적이며 객관적인 특성의 존재)은 양자 물체의 포인터 상태가 존재하기 때문에 가능하다고 주장합니다.
포인터 상태에 대한 특별한 것은 환경과의 디코 언도를 유발하는 상호 작용이 스크램블되지 않는다는 것입니다. 포인터 상태가 보존되거나 단순히 거의 동일하게 보이는 상태로 변형된다는 것입니다. 이것은 환경이 양자를 무차별 적으로 스쿼시하지 않고 다른 상태를 선택하면서 다른 상태를 선택한다는 것을 의미합니다. 예를 들어 입자의 위치는 분리에 탄력적입니다. 그러나 다른 위치의 중첩은 포인터 상태가 아닙니다. 환경과의 상호 작용은이를 국소적인 포인터 상태로 데려 가서 하나만 관찰 할 수 있습니다. Zurek은 1980 년대에 포인터 상태 의이“환경 유발 대체 선택”을 설명했습니다.
그러나 양자 재산을 준수해야한다는 두 번째 조건이 있습니다. 환경과의 상호 작용에 대한 면역은 포인터 상태의 안정성을 보장하지만, 우리는 여전히 그것에 대한 정보를 얻어야합니다. 우리는 그것이 물체의 환경에서 각인 된 경우에만 그렇게 할 수 있습니다. 예를 들어 객체가 보이면 해당 정보가 광자가 산란하여 망막으로 전달됩니다. 그들은 객체의 특정 측면의 부분 복제본 형태로 정보를 가지고 있으며, 위치, 모양 및 색상에 대해 무언가를 말합니다. 많은 관찰자들이 측정 값, 즉 고전의 특징에 동의 해야하는 경우 많은 복제본이 필요합니다. 따라서 Zurek이 2000 년대에 주장했듯이, 일부 재산을 관찰하는 우리의 능력은 그것이 포인터 상태로 선정되었는지 여부뿐만 아니라 환경에서 발자국이 얼마나 실질적인 지에 달려 있습니다. 환경에서 복제본을 만드는 데 가장 적합한 주 (“적합한”)는 측정에 접근 할 수있는 유일한 것입니다. 그렇기 때문에 Zurek은 아이디어를 Quantum Darwinism이라고 부릅니다.
포인터 상태의 환경에 의한 대체 선택을 촉진하는 동일한 안정성 특성은 또한 양자 다윈 피트니스 또는 복제본을 생성 할 수있는 능력을 촉진한다는 것이 밝혀졌습니다. Zurek은“모니터링 노력을 통해 디코셔 시스템을 디코셔를 사용하여 디코 언어를 담당하는 것과 동일한 프로세스는 환경에서 정보의 여러 사본을 해체해야합니다.”
.정보 과부하
물론 환경에서 각인 된 양자 시스템에 대한 정보가 실제로 인간 관찰자가 읽는지는 중요하지 않습니다. 고전적인 행동이 등장하는 데 중요한 것은 정보가 원칙적으로 읽을 수 있도록 정보가 도착한다는 것입니다. 캐나다 워털루의 이론 물리학 연구소의 물리학자인 제스 리들 (Jess Riedel)은“시스템은 공식적인 의미에서 공식적인 의미로 연구 중일 필요는 없다”고 말했다. "QD는 실험실에 있지 않거나 인간이 있기 전에 존재했던 일상적인 거시적 대상을 포함하여 모든 고전성을 추정 적으로 설명하거나 설명하는 데 도움이됩니다."
.약 10 년 전, Riedel은 Zurek의 대학원생으로 일하는 동안 이론적으로 단순하고 이상적인 양자 시스템의 정보가“환경에 대입하여 복사된다”고 말했다. 그들은 단 하나의 마이크로 초 동안 태양에 의해 조명 된 후 1 마이크로 미터를 가로 질러 먼지 한 덩어리를 계산했으며, 산란 된 광자에 위치가 약 1 억 번 임금이 될 것이라고 계산했다.
.이 중복성 때문에 객관적이고 고전적인 속성이 전혀 존재하지 않기 때문입니다. 10 명의 관찰자는 각각 먼지 곡물의 위치를 측정하고 동일한 위치에 있음을 알 수 있습니다. 각 정보의 뚜렷한 복제본에 액세스 할 수 있기 때문입니다. 이 관점에서, 우리는 객관적인“위치”를 스펙에 할당 할 수 있습니다. 왜냐하면 그러한 입장을“가지고있는 것”이 아니라 (그 의미가 무엇이든), 위치 상태가 환경에서 많은 동일한 복제품을 각인 할 수 있기 때문에 다른 관찰자들이 합의에 도달 할 수 있기 때문입니다.
.또한 사용 가능한 대부분의 정보를 수집하기 위해 많은 환경을 모니터링 할 필요가 없으며 환경의 일부 이상을 모니터링하여 훨씬 더 많은 것을 얻지 못합니다. Riedel은“시스템에 대해 수집 할 수있는 정보는 빠르게 포화됩니다.
이 중복성은 QD의 독특한 특징이며 Queen 's University Belfast의 물리학자인 Mauro Paternostro는 세 가지 새로운 실험 중 하나에 참여한 설명입니다. "이것은 고전으로 향한 전환을 특징 짓는 재산입니다."
스페인 세비야 대학의 이론적 물리학 자 Adán Cabello에 따르면, 양자 다윈주의는 양자 역학에 대한 일반적인 신화에 도전한다. 반대로, 그는“양자 이론은 고전 세계의 출현을 완벽하게 묘사합니다.”
그러나 얼마나 완벽하게 논쟁의 여지가 있습니다. 일부 연구자들은 디코 언어와 QD가 양자 클래식 전환에 대한 완전한 설명을 제공한다고 생각합니다. 그러나 이러한 아이디어는 왜 중첩이 대규모로 사라지고 왜 콘크리트 "고전적인"속성 만 남아 있는지 설명하려고하지만 측정이 왜 고유 한 결과를 제공하는지에 대한 의문이 여전히 남아 있습니다. 입자의 특정 위치가 선택되면 양자 설명에 내재 된 다른 가능성은 어떻게됩니까? 그들은 어떤 의미에서 진짜였습니까? 연구원들은 양자 역학에 대한 철학적 해석을 정확하게 채택하도록 강요 당했다.
실험실로
양자 다윈주의는 종이에 상당히 설득력있는 것으로 보인다. 그러나 최근까지 그것은 얻은 한 멀었습니다. 지난 한 해 동안, 3 명의 연구원 팀이 독립적으로 주요 기능을 찾아 실험 테스트에 독립적으로 배치했습니다.
실험은 양자 시스템에 대한 정보가 환경에 부여되는 정보를 면밀히 모니터링하는 능력에 달려있었습니다. 예를 들어 수십억 개의 공기 분자 사이에 떠 다니는 먼지 곡물이 떠오를 수는 없습니다. 따라서 두 팀은 일종의 입자만으로 일종의 "인공 환경"에서 양자 객체를 만들었습니다. 두 실험-로마의 Sapienza University의 Paternostro와 공동 작업자, 다른 하나는 양자 정보 전문가 Jian-Wei Pan 및 중국 과학 기술 대학의 공동 저자에 의한 공동 저자는 양자 시스템으로 단일 광자를 사용하여 소수의 다른 광자를 사용하여“환경”으로 사용하여 그 정보를 방송합니다.
두 팀 모두 광학 장치를 통해 레이저 광자를 통과시켜 융합 된 그룹으로 결합 할 수 있습니다. 그런 다음 환경 광자를 심문하여 시스템 Photon의 포인터 상태에 대해 인코딩 한 정보를 확인했습니다.이 경우 양자 다윈 선택의 필터를 통과 할 수있는 양자 특성 중 하나 인 분극 (진동 전자기장의 방향).
.QD의 주요 예측은 포화 효과입니다. 소수의 주변 입자 만 모니터링하면 양자 시스템에 대해 수집 할 수있는 모든 정보를 사용할 수 있어야합니다. Pan은“상호 작용 환경의 작은 부분은 관찰 된 시스템에 대한 최대의 고전적인 정보를 제공하기에 충분합니다.
두 팀은 정확하게 이것을 발견했습니다. 환경 광자 중 하나의 측정 결과 시스템 광자의 분극에 대한 많은 정보가 나타 났으며 환경 광자의 점점 더 많은 부분을 측정하면 수익률이 감소했습니다. 단일 광자조차도 디코 언어와 선택을 도입하는 환경으로 작용할 수 있다고 Pan은 고독한 시스템 광자와 충분히 상호 작용한다면 설명했다. 상호 작용이 약하면 더 큰 환경을 모니터링해야합니다.
QD의 세 번째 실험 테스트, Zurek 및 기타와 협력하여 독일 ULM University의 양자 물리학 자 Fedor Jelezko가 이끄는 QD의 세 번째 실험 테스트는 매우 다른 시스템과 환경을 사용하여 소위 질소-측정 결핍 인 다이아몬드의 결정 방아선에 대한 고독한 질소 원자 대체로 구성된 매우 다른 시스템과 환경을 사용했습니다. 질소 원자는 탄소보다 전자가 하나 더 있기 때문에,이 과도한 전자는 이웃 탄소 원자의 것과 짝을 이루어 화학적 결합을 형성 할 수 없다. 결과적으로, 질소 원자의 짝을 이루지 않은 전자는 고독한“스핀”역할을합니다. 이는“스핀”으로 작용합니다. 이는 화살표가 위 또는 아래로 향하거나 일반적으로 가능한 두 방향의 중첩으로 작용합니다.
이 스핀은 동위 원소 카본 -13과 같이 다이아몬드에 존재하는 대략 0.3%의 탄소 핵의 것과 자기적으로 상호 작용할 수 있으며, 이는 더 풍부한 탄소 -12와 달리 스핀이 있습니다. 평균적으로, 각각의 질소-진전 스핀은 약 1 나노 미터의 거리 내에서 4 개의 탄소 -13 스핀에 강하게 결합된다.
.레이저 및 무선 주파수 펄스를 사용하여 스핀을 제어하고 모니터링함으로써, 연구원들은 환경의 핵 스핀의 변화에 의해 질소 스핀의 변화가 어떻게 등록되는지 측정 할 수 있습니다. 지난 9 월에 사전 인쇄에서보고 한 바와 같이, QD에 의해 예측 된 특징 중복성을 관찰 한 바와 같이 :질소 스핀의 상태는 주변 환경에서 여러 사본으로“기록”되며, 더 많은 환경이 고려 될 때 스핀에 대한 정보가 빠르게 포화됩니다.
.Zurek은 광자 실험이 실제 환경을 시뮬레이션하는 인공적인 방식으로 사본을 생성하기 때문에 탈착성에 탄력있는 "자연적인"포인터 상태를 선택하는 선택 과정을 포함하지 않는다고 말합니다. 오히려, 연구원들은 포인터 상태를 부과합니다. 대조적으로, 다이아몬드 환경은 포인터 상태를 이끌어냅니다. Zurek은“다이아몬드 체계는 환경의 크기로 인해 문제가 있습니다.
Quantum Darwinism 일반화
지금까지, 양자 다윈주의에 너무 좋습니다. Zurek은“이 모든 연구는 적어도 거의 거의 예상되는 것을 봅니다.
Riedel은 우리가 다른 방법으로는 거의 기대할 수 없다고 말합니다. 그의 견해로는 QD는 실제로 양자 시스템과 환경과의 상호 작용에 대한 표준 양자 역학을 신중하고 체계적으로 적용하는 것입니다. 이것은 대부분의 양자 측정에 대해 실제로는 불가능하지만, 측정을 충분히 단순화 할 수 있다면, 예측은 분명하다. 그는 말했다.
그러나 이러한 연구는 QD와 일치하는 것처럼 보이지만 고전의 출현에 대한 유일한 설명이거나 심지어 전적으로 정확하다는 증거로 간주 할 수 없습니다. 우선, Cabello는 세 가지 실험은 실제 환경이 구성된 것의 도식 버전 만 제공한다고 말합니다. 또한 실험은 고전의 출현을 보는 다른 방법을 깨끗하게 배제하지 않습니다. 예를 들어 폴란드 Gdańsk Technology of Technology의 Pawel Horodecki가 개발 한 "Spectrum Broadcasting"이라는 이론은 QD를 일반화하려고 시도합니다. 스펙트럼 방송 이론 (몇 가지 이상화 된 사례에 대해서만 작동)은 얽힌 양자 시스템의 상태와 많은 관찰자들이 그것을 교란시키지 않고 얻을 수있는 객관적인 정보를 제공하는 환경을 식별합니다. 다시 말해, 다른 관찰자가 환경에서 시스템의 복제본에 액세스 할 수있을뿐만 아니라 다른 복제본에 영향을 미치지 않도록하는 것을 목표로합니다. 그것도 진정으로 "고전적인"측정의 특징입니다.
Horodecki와 다른 이론가들은 또한 세계의 임의의 분열을 시스템과 환경에 요구하지 않는 이론적 틀에 QD를 포함 시키려고했지만, 다양한 양자 시스템 간의 상호 작용에서 고전적인 현실이 어떻게 나타날 수 있는지 고려합니다. Paternostro는 이러한 이론의 예측 사이의 다소 미묘한 차이를 식별 할 수있는 실험 방법을 찾는 것이 어려울 수 있다고 말합니다.
.그럼에도 불구하고 연구자들은 노력하고 있으며, 바로 그 시도는 양자 영역의 작업을 조사하는 능력을 개선해야합니다. Riedel은“이러한 실험을 수행하기위한 가장 좋은 주장은 아마도 좋은 운동이라는 것입니다. "QD를 직접 설명하려면 기존 실험실 기술의 경계를 넓힐 매우 어려운 측정이 필요할 수 있습니다." 측정이 실제로 무엇을 의미하는지 알 수있는 유일한 방법은 더 나은 측정을하는 것입니다.
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