On the emergence of quantum Darwinism and pointer states for non-commuting evolutions
本論文は、システムおよび相互作用のハミルトニアンが非可換である場合であっても、情報の冗長性が存在する限り常に有効なポインター状態の一般化された定義を提案することにより、量子ダーウィニズムと客観的なポインター状態の出現が可能であることを実証するものである。
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量子力学の世界では、粒子は私たちが日常的に目にしている固形物のような振る舞いはしません。粒子は可能性の霞の中に存在しており、単一の粒子が同時に二つの場所に存在することさえあります。しかし、私たちが生きている世界は確定しています。椅子はここにあるか、あるいはあそこにあるかのどちらかであり、決して両方ではありません。何十年もの間、物理学者たちは、この曖昧な量子領域から固形な古典的世界への移行がどのようにして起こるのかを理解しようと努めてきました。量子ダーウィニズムとして知られる主要な理論は、その答えが情報の「漏出」の仕方に隠されていることを示唆しています。量子系が周囲の環境と相互作用すると、それは群衆の中に広がる噂のように、自身の状態のコピーを環境の中に残していきます。もし多くの独立した観測者が環境の異なる部分を確認し、その結果、システムの状態で一致を見ることができれば、そのシステムは「客観的」になったと言えます。このプロセスを生き残り、コピーされる状態は「ポインター状態」と呼ばれます。これは、自然界が好むように見える特定の構成のことです。
しかし、このプロセスに関するほとんどの理論は、ある単純化された仮定に基づいています。それは、系の内部エネルギーと環境との相互作用が、互いに争うことなく完璧に調和しているという仮定です。現実の世界では、これは滅多に起こりません。系には独自の律動があり、環境との相互作用はしばしば複雑で、それらは噛み合っていません。ダイアナ・チスホルム、G・マッシモ・パルマ、そしてルカ・イノチェンティによるこの論文は、決定的な客観的現実の出現が、これらの力が一致しない場合に崩壊してしまうのではないか、という極めて重要な問いを投げかけています。彼らは、量子ダーウィニズムという美しいメカニズムが、系と環境が常に衝突している状況（以前は、安定した客観的な状態の形成を不可能にすると考えられていた条件）においても、依然として機能するのかどうかを調査しています。
研究者たちは、一つの量子ビット（または、キュービット）が、環境として機能する8つの他の量子ビットのグループと相互作用する様子をシミュレートするための数学的モデルを構築しました。彼らは、系の内部運動を支配するルールと、環境との対話を支配するルールの二つの異なるルールに基づいて、系が進化するように設定しました。特定のパラメータを調整することで、これら二つのルールがいかに衝突するかを制御することができました。ルールが衝突しない理想的なシナリオでは、環境は迅速に系の状態を学習し、多くの観測者が目にするものについて一致を見ることができました。しかし、研究者がルール間の衝突を導入すると、プロセスは乱れてしまいました。環境が収集した情報は、系が環境による記録よりも速く変化してしまうため、古くなり、時代遅れになってしまったのです。
この混沌にもかかわらず、チームは客観性が消失しなかったことを見出しました。系と環境が争っているときでさえ、環境は依然として系の状態の冗長なコピーを蓄積することができ、複数の観測者が合意に達することを可能にしていました。この客観性の度合いは、衝突の速度に依存していました。系と環境の間の相互作用が、系自身の内部変化よりもはるかに速い場合、環境は情報が劣化する前にその情報を捉えることができました。このことは、相互作用がほぼ瞬時に起こる大規模なマクロ的環境において、非整合な力がもたらす乱雑な現実が、結局のところ確定した世界の出現を妨げることはないかもしれないことを示唆しています。
この研究はまた、「ポインター状態」とは実際に何であるかという再考を迫るものでもありました。伝統的に、これらは川の中に置かれた岩のように、環境によって完全に変化しない状態として定義されてきました。しかし、系と環境が絶えず変化している世界では、そのような完全に安定した状態は存在しません。著者らは、より柔軟な定義を提案しました。すなわち、ポインター状態とは、その状態自体が完全に静止しているかどうかに関わらず、その情報が環境へと正常に拡散した状態のことである、という定義です。この新しい定義を用いることで、彼らは、たとえ衝突が存在する場合でも、特定の状態がプロセスの「勝者」として出現することを示しました。
興味深いことに、この衝突における「勝者」となる状態は、必ずしも系の内部エネルギーのみによって予測される状態ではありませんでした。研究者たちは、これらの勝ち残った状態が、系の内部ルール、相互作用のルール、さらには系の初期位置の複雑な混合によって決まることを発見しました。場合によっては、環境が系の内部の物理学が示唆するものとは異なる基底で系を測定することになるのです。これは、現実世界の測定が、系の内部的な性質の完璧な反映ではなく、系と周囲の環境との間のダイナミックな闘争によって形作られていることを意味しています。
これらの知見は、量子から古典への移行が、これまで考えられていたよりも堅牢であることを示唆しています。系と環境の間の衝突はプロセスの効率を低下させますが、それを停止させることはありません。研究者たちは、環境が十分に大きく、かつ十分に速く相互作用できる限り、ノイズの中から情報を選別し、共有された客観的現実を確立できることを示しました。この研究は、私たちが経験している安定性が、完璧な条件による脆弱な産物ではなく、現実世界の物理学における避けられない乱雑さを生き抜くことができる、回復力のある特徴であることを示すことで、古典的世界の出現に関する理解を拡張しています。
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