Квантовый дарвинизм: возникновение классического мира из квантового.
Quantum Darwinism
Квантовый дарвинизм: теория возникновения классического мира из квантового через "естественный отбор" состояний средой. Критика и дебаты о декогеренции.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Введение
Квантовый дарвинизм – это теория, призванная объяснить возникновение классического мира из квантового в результате процесса дарвиновского естественного отбора, индуцированного взаимодействием окружающей среды с квантовой системой; при этом множество возможных квантовых состояний отсеивается в пользу стабильного состояния-указателя. Она была предложена в 2003 году Войцехом Зюреком и группой соавторов, включая Олливье, Пулина, Паса и Блюма-Кохаута. Кроме того, аналогичный сценарий был предложен в связи с возмущением, вызывающим рубцы в беспорядочных квантовых точках (см. рубцы). Однако представленные доказательства также подвергаются критике за круговоротность со стороны Рут Кастнер (см. раздел «Последствия» ниже). По сути, фактическое явление декогеренции, лежащее в основе утверждений квантового дарвинизма, может и не возникать в рамках исключительно унитарной динамики. Таким образом, даже если декогеренция имеет место, это не доказывает, что макроскопические состояния-указатели возникают естественным образом без какого-либо механизма коллапса.
Quantum Darwinism is a theory meant to explain the emergence of the classical world from the quantum world as due to a process of Darwinian natural selection induced by the environment interacting with the quantum system; where the many possible quantum states are selected against in favor of a stable pointer state. It was proposed in 2003 by Wojciech Zurek and a group of collaborators including Ollivier, Poulin, Paz and Blume Kohout. additionally, a similar kind of scene has been suggested with perturbation induced scarring in disordered quantum dots (see scars). However, the claimed evidence is also subject to the circularity criticism by Ruth Kastner (see Implications below). Basically, the de facto phenomenon of decoherence that underlies the claims of Quantum Darwinism may not really arise in a unitary only dynamics. Thus, even if there is decoherence, this does not show that macroscopic pointer states naturally emerge without some form of collapse.
Последствия
Наряду с теорией инвариантности Зюрека (инвариантность, обусловленная квантовой запутанностью), квантовый дарвинизм стремится объяснить, как классический мир возникает из квантового мира, и предлагает решение проблемы квантового измерения – главной интерпретационной проблемы квантовой теории. Проблема измерения возникает из-за того, что вектор квантового состояния, источник всех знаний о квантовых системах, эволюционирует согласно уравнению Шрёдингера в линейную суперпозицию различных состояний, предсказывая парадоксальные ситуации, такие как "кот Шрёдингера"; ситуации, не наблюдаемые в нашем классическом мире. Традиционно квантовая теория рассматривает эту проблему как решаемую посредством неунитарного преобразования вектора состояния в момент измерения в определённое состояние. Она предоставляет чрезвычайно точный способ предсказания значения этого определённого состояния в виде вероятности для каждого возможного результата измерения. Физическая природа перехода от квантовой суперпозиции состояний к определённому классическому состоянию, которое измеряется, традиционной теорией не объясняется, но обычно принимается как аксиома и легла в основу дебатов между Нильсом Бором и Альбертом Эйнштейном относительно полноты квантовой теории. Квантовый дарвинизм стремится объяснить переход квантовых систем от огромного множества суперпозиционированных состояний к значительному, но ограниченному набору указательных состояний как процесс отбора – einselection, навязываемый квантовой системе посредством её непрерывных взаимодействий с окружающей средой. Все квантовые взаимодействия, включая измерения, но гораздо чаще взаимодействия с окружающей средой, например, с морем фотонов, в котором погружены все квантовые системы, приводят к декогеренции, или к проявлению квантовой системы в определённом базисе, диктуемом природой взаимодействия, в котором участвует квантовая система. В случае взаимодействия с окружающей средой Зюрек и его коллеги показали, что предпочтительным базисом, в который будет декогерировать квантовая система, является указательный базис, лежащий в основе предсказуемых классических состояний. Именно в этом смысле указательные состояния классической реальности отбираются из квантовой реальности и существуют в макроскопическом мире в состоянии, способном к дальнейшей эволюции. Однако программа einselection зависит от предположения о конкретном разделении универсального квантового состояния на "систему" + "окружающую среду", при этом различные степени свободы окружающей среды постулируются как обладающие взаимно случайными фазами. Эта случайность фаз не возникает изнутри квантового состояния Вселенной само по себе, и Рут Кастнер указала на то, что это ограничивает объяснительную силу программы квантового дарвинизма. Зюрек отвечает на критику Кастнер в работе "Классический отбор и квантовый дарвинизм". Поскольку взаимодействие квантовой системы с окружающей средой приводит к записи множества избыточных копий информации об её указательных состояниях, эта информация доступна многочисленным наблюдателям, способным достичь консенсуса относительно информации о квантовом состоянии. Этот аспект einselection, названный Зюреком "Окружающая среда как свидетель", создаёт возможность объективного знания.
Along with Zurek's related theory of envariance (invariance due to quantum entanglement), quantum Darwinism seeks to explain how the classical world emerges from the quantum world and proposes to answer the quantum measurement problem, the main interpretational challenge for quantum theory. The measurement problem arises because the quantum state vector, the source of all knowledge concerning quantum systems, evolves according to the Schrödinger equation into a linear superposition of different states, predicting paradoxical situations such as "Schrödinger's cat"; situations never experienced in our classical world. Quantum theory has traditionally treated this problem as being resolved by a non unitary transformation of the state vector at the time of measurement into a definite state. It provides an extremely accurate means of predicting the value of the definite state that will be measured in the form of a probability for each possible measurement value. The physical nature of the transition from the quantum superposition of states to the definite classical state measured is not explained by the traditional theory but is usually assumed as an axiom and was at the basis of the debate between Niels Bohr and Albert Einstein concerning the completeness of quantum theory. Quantum Darwinism seeks to explain the transition of quantum systems from the vast potentiality of superposed states to the greatly reduced set of pointer states as a selection process, einselection, imposed on the quantum system through its continuous interactions with the environment. All quantum interactions, including measurements, but much more typically interactions with the environment such as with the sea of photons in which all quantum systems are immersed, lead to decoherence or the manifestation of the quantum system in a particular basis dictated by the nature of the interaction in which the quantum system is involved. In the case of interactions with its environment Zurek and his collaborators have shown that a preferred basis into which a quantum system will decohere is the pointer basis underlying predictable classical states. It is in this sense that the pointer states of classical reality are selected from quantum reality and exist in the macroscopic realm in a state able to undergo further evolution. However, the 'einselection' program depends on assuming a particular division of the universal quantum state into 'system' + 'environment', with the different degrees of freedom of the environment posited as having mutually random phases. This phase randomness does not arise from within the quantum state of the universe on its own, and Ruth Kastner has pointed out that this limits the explanatory power of the Quantum Darwinism program. Zurek replies to Kastner's criticism in Classical selection and quantum Darwinism. As a quantum system's interactions with its environment results in the recording of many redundant copies of information regarding its pointer states, this information is available to numerous observers able to achieve consensual agreement concerning their information of the quantum state. This aspect of einselection, called by Zurek 'Environment as a Witness', results in the potential for objective knowledge.