ゲームをしましょう。 2 つのコンパートメントと 1 つのボールが入ったボックスが手に入ります。ボールはどちらのコンパートメントにも同じ確率で入る可能性があり、私の仕事はどちらを推測することです.わかりました、それは最もエキサイティングなゲームではありませんが、少なくとも公平です.私のオッズは 50/50 です。
しかし、あなたの箱が工場で製造されていたことを知っているとしましょう。コンベヤー ベルトが箱を大砲に運び、大砲はコイン トスに応じてボールを 1 つのコンパートメントまたは別のコンパートメントに発射しました。コイントスは 1 日 1 回行われ、同じ日に生産されたすべてのボックスには同じコンパートメントにボールが入っています。もしあなたと同じ日に生産された箱を手に入れることができれば、私は確実にゲームに勝つことができるでしょう.公平を期すために、以上です。
教訓は明らかです。私たちのゲームが公正かどうかは、あなたのボックス内のボールが私が所有する他のシステムと相関しているかどうかにかかっています。私がカンニングをしていないことを確認するには、すべてを集める必要があります ボックスと相互に関連し、安全に制御できるシステム。しかし、それらすべてを収集したことをどのように確信できますか?最強の保証は、システムが物理学者が「純粋な状態」と呼ぶ状態にあるということです。つまり、それと関連するものは何もなく、システムについて最大限の知識を持っているということです。一方、「混合状態」では部分的な知識しか得られず、いくつかの重要な情報が他の場所に隠れている可能性があります。
このように、私たちは量子力学の核心である浄化原理という考えにたどり着きました。十分な数のシステムを考慮すると、すべてのシステムが純粋な状態にある記述レベルを常に見つけることができると述べています。浄化原理は、基本的な地位を目指すことができる物理理論を、単に効果的なものから分離するふるいです.結局のところ、自然の基本理論は自己完結型の方法で現象を記述し、他の場所に隠れている情報の存在によって変更できない予測を行う必要があります.
この定義によれば、ニュートン力学は基本です。それは自明な方法で浄化を満たします。理論はのみを扱います 関心のある粒子の位置と速度によって指定される純粋な状態で。一方、熱力学などの基礎となる古典的な統計力学は、浄化原理に違反しています。すべての粒子の位置と速度を指定するのではなく、確率分布を割り当てるだけです。説明にいくつの粒子を含めても、それらが他のシステムと相関している可能性を排除することはできません.これにより、原則として、一部のエージェントが隠れた相関関係を利用できるようになります。これはまさに、マクスウェルの悪魔やシラードのエンジンなどの有名な思考実験で起こっていることであり、本質的にボールとコンパートメントのゲームの 2 つの洗練されたバージョンです。
量子力学はどうですか？それは基本的な理論であるだけでなく、唯一の理論であることが判明しました。 自然界の確率の考えを考慮しながら、浄化を満足させることができる標準的な理論。これは、マウロ ダリアーノ、パオロ ペリノッティ、そして私自身による 2011 年の論文の中心的な結果であり、分岐点に至ります。 .言い換えれば、ランダム性の概念、つまり情報が物理学の基本法則で役割を果たすことができるのは、量子の世界だけです。すべてのイベントが事前に決定されている場合、すべての実験の結果は、エージェントが所有する情報とは無関係になるはずです.
浄化の原則は、いくつかの驚くべき結果をもたらします。ランダムなイベントの結果に依存する方法でシステムを準備するメカニズムを想像してみてください。イベントはランダムであり、私たちが持っていない情報に依存しているため、システムは混合状態になります。ここで、純粋化の原則により、一緒になって純粋な状態にある十分な数のシステムを見つけることができることが保証されます。これは、古典の世界ではアナログのない状況につながります。複合システムについて最大限の知識を得ることができますが、その部分については無知のままです。 Erwin Schrödinger はこれを「絡み合い」と名付け、「私はそれを 1 とは呼ばない」と書いたことで有名です。 むしろ 量子力学の特徴であり、古典的な考え方からの完全な逸脱を強制するものです。」
エンタングルメントには多くの潜在的な用途があります。たとえば、一部の相関関係が本質的に非公開であることを保証します .システム A が混合状態にあり、複合システム AB が純粋な状態にあるとします。その純粋さの結果として、AB の状態は世界の残りの部分と無相関でなければなりません。この性質はエンタングルメントの一夫一婦制として知られており、Artur Ekert の 1991 年の鍵配布プロトコルなど、多くの量子暗号プロトコルの根幹となっています。アイデアは単純です。それぞれシステム A と B を保持している 2 つの離れた当事者が、相関するランダム ビットを生成し、後でメッセージを暗号化するための秘密鍵として使用できます。もつれの一夫一婦制は、第三者がランダムなビットと相関してメッセージを解読できないことを保証します.
物理学者は、量子情報理論から元気を得ることができます。量子力学が最初に定式化されたとき、物理学は何かを失ったように見えました。古典物理学者にとって、それはまるでガリレオとニュートンの美しい時計仕掛けの宇宙が不確定性の雲に覆われているかのようでした。しかし、量子情報は、量子力学が極限の理論であるだけでなく、安全な量子暗号や超高速量子コンピューターなどの新しい機会の理論でもあるという喜ばしい発見でした。この角度から見ると、量子論はもはや「何か少ない物理学」ではなく、「何か多い情報理論」のように見えます。その「何か」は、ガリレオとニュートンの古典的な世界では思いもよらなかった方法でランダム性を利用できるようにする浄化原理によって提供されると私たちは信じています.
Giulio Chiribella は、中国の北京にある清華大学の教授です。彼の研究は、量子情報理論、量子基礎、数理物理学に焦点を当てています。
参照
1. Chiribella, G.、D'Arano、G.M.、および Perinotti、P. 量子論の情報導出。 フィジカルレビューA 84 、012311 (2011).
