Articulo de referencia

QBismo

Cada punto de la bola de Bloch es un posible estado cuántico para un cúbit . En el QBismo, todos los estados cuánticos son representaciones de probabilidades personales. En físi...

Cada punto de la bola de Bloch es un posible estado cuántico para un cúbit . En el QBismo, todos los estados cuánticos son representaciones de probabilidades personales.

En física y filosofía de la física , el QBismo (pronunciado "cubismo") es una interpretación de la mecánica cuántica que toma las acciones y experiencias de un agente como las preocupaciones centrales de la teoría. Es la forma más prominente y extrema del bayesianismo cuántico, un conjunto de enfoques relacionados que implican interpretar las probabilidades cuánticas como bayesianas de alguna manera. El QBismo aborda cuestiones comunes en la interpretación de la teoría cuántica sobre la naturaleza de la superposición de funciones de onda , la medición cuántica y el entrelazamiento . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Según el QBismo, muchos, pero no todos, los aspectos del formalismo cuántico son de naturaleza subjetiva. Por ejemplo, en esta interpretación, un estado cuántico no es un elemento de la realidad, sino que representa los grados de creencia que un agente tiene sobre los posibles resultados de las mediciones. Por esta razón, algunos filósofos de la ciencia han considerado el QBismo una forma de antirrealismo . [ 4 ] [ 5 ] Los creadores de la interpretación discrepan de esta caracterización, proponiendo en cambio que la teoría se ajusta mejor a un tipo de realismo que denominan " realismo participativo ", en el que la realidad consiste en más de lo que puede ser capturado por cualquier supuesto relato en tercera persona. [ 6 ] [ 7 ]

Esta interpretación se distingue por su uso de una explicación bayesiana subjetiva de las probabilidades para entender la regla de Born de la mecánica cuántica como una adición normativa a la buena toma de decisiones . Arraigado en el trabajo previo de Carlton Caves , Christopher Fuchs y Rüdiger Schack a principios de la década de 2000, el QBismo se asocia principalmente con Fuchs y Schack y, más recientemente, ha sido adoptado por David Mermin . [ 8 ] El QBismo se nutre de los campos de la información cuántica y la probabilidad bayesiana y tiene como objetivo eliminar los dilemas interpretativos que han afectado a la teoría cuántica. La interpretación QBista deriva históricamente de las opiniones de los diversos físicos que a menudo se agrupan como "la" interpretación de Copenhague , [ 9 ] [ 10 ] pero es distinta de ellas. [ 10 ] [ 11 ]

Además de presentar una interpretación de la estructura matemática existente de la teoría cuántica, algunos QBistas han defendido un programa de investigación para reconstruir la teoría cuántica a partir de principios físicos básicos cuyo carácter QBista es manifiesto. El objetivo último de esta investigación es identificar qué aspectos de la ontología del mundo físico hacen de la teoría cuántica una buena herramienta para que la utilicen los agentes. [ 12 ] Sin embargo, la interpretación QBista en sí misma, como se describe en §  Posiciones centrales , no depende de ninguna reconstrucción en particular.

Historia y desarrollo

El filósofo, matemático y economista británico Frank Ramsey , cuya interpretación de la teoría de la probabilidad inspiró el bayesianismo cuántico. [ 13 ]

ET Jaynes , promotor del uso de la probabilidad bayesiana en la física estadística, sugirió en una ocasión que la teoría cuántica es «una mezcla peculiar que describe en parte realidades de la Naturaleza y en parte información humana incompleta sobre ella, todo revuelto por Heisenberg y Bohr en una tortilla que nadie ha sabido descifrar». [ 14 ] Este punto de vista inspiró el desarrollo del bayesianismo cuántico. [ 13 ] Jaynes señaló que un estado cuántico mixto puede escribirse de múltiples maneras diferentes como una mezcla estadística de estados puros. (Esto forma parte de lo que más tarde se conocería como el teorema de Schrödinger-HJW ). Así pues, si se supone que los estados puros representan la incertidumbre objetiva, mientras que los pesos en la mezcla son probabilidades subjetivas que representan la incertidumbre de un observador sobre qué estado puro está realmente presente, entonces lo subjetivo y lo objetivo se han entremezclado por completo: muchas combinaciones distintas de entidades subjetivas y objetivas producen exactamente las mismas predicciones físicas. [ 15 ]

En un artículo de 2002, Carlton Caves , Christopher A. Fuchs y Ruediger Schack propusieron interpretar la probabilidad cuántica como una forma de probabilidad bayesiana. [ 13 ] Sin embargo, los tres autores quedaron insatisfechos con dicho artículo y, finalmente, divergieron en sus puntos de vista sobre cómo resolver los problemas; Fuchs y Schack desarrollaron su postura hasta convertirla en QBismo. [ 16 ]

Christopher Fuchs introdujo el término "QBismo" y delineó la interpretación en su forma más o menos actual en 2010, [ 17 ] llevando más allá y exigiendo coherencia de ideas planteadas anteriormente, especialmente en publicaciones de 2002. [ 13 ] [ 18 ] Varios trabajos posteriores han ampliado y elaborado estos fundamentos, en particular un artículo de Reviews of Modern Physics de Fuchs y Schack; [ 19 ] un artículo de American Journal of Physics de Fuchs, Mermin y Schack; [ 20 ] y las notas de clase de la Escuela de Verano Enrico Fermi [ 21 ] de Fuchs y Stacey. [ 22 ]

Fuchs optó por llamar a la interpretación "QBismo", pronunciado "cubismo", conservando el espíritu bayesiano mediante el uso de CamelCase en las dos primeras letras, pero distanciándola del bayesianismo en un sentido más amplio. [ 23 ] Dado que este neologismo es un homófono del movimiento artístico Cubismo , ha motivado comparaciones conceptuales entre ambos, [ 24 ] y la cobertura mediática del QBismo se ha ilustrado con obras de Picasso [ 8 ] y Gris . [ 25 ]

Fondo

Existen numerosas interpretaciones de la teoría de la probabilidad . En términos generales, estas interpretaciones se dividen en tres categorías: aquellas que afirman que la probabilidad es una propiedad objetiva de la realidad (la escuela de la propensión), aquellas que afirman que la probabilidad es una propiedad objetiva del proceso de medición (frecuentistas) y aquellas que afirman que la probabilidad es una construcción cognitiva que un agente puede utilizar para cuantificar su ignorancia o grado de creencia en una proposición (bayesianos). El QBismo parte de la premisa de que todas las probabilidades, incluso las que aparecen en la teoría cuántica, se consideran más apropiadamente como pertenecientes a esta última categoría. Específicamente, el QBismo adopta una interpretación bayesiana personalista en la línea del matemático italiano Bruno de Finetti [ 26 ] y el filósofo inglés Frank Ramsey [ 27 ] [ 28 ] .

Según los QBistas, las ventajas de adoptar esta visión de la probabilidad son dobles. Primero, para los QBistas, el papel de los estados cuánticos, como las funciones de onda de las partículas, es codificar probabilidades de manera eficiente; por lo tanto, los estados cuánticos son, en última instancia, grados de creencia en sí mismos. (Si se considera cualquier medición individual que sea una medida de valor de operador positivo (POVM) mínima e informacionalmente completa, esto es especialmente claro: un estado cuántico es matemáticamente equivalente a una única distribución de probabilidad, la distribución sobre los posibles resultados de esa medición. [ 19 ] ) Considerar los estados cuánticos como grados de creencia implica que el evento de un estado cuántico que cambia cuando ocurre una medición —el " colapso de la función de onda "— es simplemente el agente actualizando sus creencias en respuesta a una nueva experiencia. [ 12 ] Segundo, sugiere que la mecánica cuántica puede pensarse como una teoría local, porque el criterio de realidad de Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) puede rechazarse. El criterio EPR establece: «Si, sin perturbar de ninguna manera un sistema, podemos predecir con certeza (es decir, con probabilidad igual a la unidad) el valor de una magnitud física, entonces existe un elemento de realidad correspondiente a esa magnitud». [ 29 ] Los argumentos para considerar la mecánica cuántica como una teoría no local se basan en este principio, pero para un QBist, es inválido, porque un bayesiano personalista considera todas las probabilidades, incluso aquellas iguales a la unidad, como grados de creencia. [ 22 ] Por lo tanto, mientras que muchas interpretaciones de la teoría cuántica concluyen que la mecánica cuántica es una teoría no local, los QBist no lo hacen. [ 20 ]

Puestos clave

Según el QBismo, la teoría cuántica es una herramienta que un agente puede usar para ayudar a gestionar sus expectativas, más como una teoría de la probabilidad que como una teoría física convencional. [ 12 ] El QBismo afirma que la teoría cuántica es fundamentalmente una guía para la toma de decisiones que ha sido moldeada por algunos aspectos de la realidad física. Entre los principales principios del QBismo se encuentran los siguientes: [ 30 ]

  1. Todas las probabilidades, incluidas aquellas iguales a cero o uno, son valoraciones que un agente atribuye a su grado de creencia en los posibles resultados. Al definir y actualizar probabilidades, los estados cuánticos (operadores de densidad) , los canales (mapas que conservan la traza y son completamente positivos) y las mediciones (medidas con valores de operador positivos) también son juicios personales de un agente.
  2. La regla de Born es normativa , no descriptiva. Es una relación a la que un agente debe esforzarse por adherirse en sus asignaciones de probabilidad y estado cuántico.
  3. Los resultados de las mediciones cuánticas son experiencias personales para el agente que se arriesga a ellas. Diferentes agentes pueden deliberar y acordar las consecuencias de una medición, pero el resultado es la experiencia que cada uno de ellos tiene individualmente.
  4. Un aparato de medición es, conceptualmente, una extensión del agente. Debe considerarse análogo a un órgano sensorial o a una prótesis: a la vez una herramienta y una parte del individuo.

Recepción y crítica

Jean Metzinger , 1912, Bailarina en el café . Un defensor del QBismo, el físico David Mermin , describe su razonamiento para elegir ese término en lugar del más antiguo y general "bayesianismo cuántico": "Prefiero el término 'QBismo' porque esta visión de la mecánica cuántica difiere de otras tan radicalmente como el cubismo difiere de la pintura renacentista..." [ 24 ]

Las reacciones a la interpretación QBista han variado desde entusiastas [ 12 ] [ 24 ] hasta fuertemente negativas. [ 31 ] En el lado que la apoya, Theodor Hänsch ha caracterizado el QBismo como un perfeccionamiento de las antiguas visiones de tipo Copenhague y haciéndolas más consistentes. [ 32 ] Algunos que han criticado el QBismo afirman que no cumple el objetivo de resolver las paradojas en la teoría cuántica. Bacciagaluppi argumenta que el tratamiento que hace el QBismo de los resultados de las mediciones no resuelve en última instancia el problema de la no localidad, [ 33 ] y Jaeger encuentra que la suposición del QBismo de que la interpretación de la probabilidad es clave para la resolución es antinatural y poco convincente. [ 34 ] Norsen [ 35 ] ha acusado al QBismo de solipsismo , y Wallace [ 36 ] identifica el QBismo como un ejemplo de instrumentalismo ; QBists have argued insistently that these characterizations are misunderstandings, and that QBism is neither solipsist nor instrumentalist. [ 27 ] [ 37 ] A critical article by Nauenberg [ 31 ] in the American Journal of Physics prompted a reply by Fuchs, Mermin, and Schack. [ 38 ]

Algunos afirman que puede haber inconsistencias; por ejemplo, Stairs argumenta que cuando una asignación de probabilidad es igual a uno, no puede ser un grado de creencia como dicen los QBistas. [ 39 ] Además, si bien también plantea preocupaciones sobre el tratamiento de las asignaciones de probabilidad uno, Timpson sugiere que los enfoques cuántico-bayesianos pueden resultar en una reducción del poder explicativo en comparación con otras interpretaciones. [ 40 ] Fuchs y Schack respondieron a estas preocupaciones en un artículo posterior. [ 41 ] Mermin defendió el QBismo en un artículo de Physics Today de 2012, [ 2 ] lo que provocó una considerable discusión. Varias críticas adicionales al QBismo que surgieron en respuesta al artículo de Mermin, y las respuestas de Mermin a estos comentarios, pueden encontrarse en el foro de lectores de Physics Today . [ 42 ] [ 43 ] La sección 2 de la entrada de la Enciclopedia de Filosofía de Stanford sobre QBismo también contiene un resumen de las objeciones a la interpretación y algunas respuestas. [ 1 ] Ballentine argumenta que "la suposición inicial del QBismo no es válida" porque la probabilidad inferencial de la teoría bayesiana utilizada por el QBismo no es aplicable a la mecánica cuántica. [ 44 ] Otros se oponen al QBismo por razones filosóficas más generales; por ejemplo, Mohrhoff critica el QBismo desde el punto de vista de la filosofía kantiana . [ 45 ]

Algunos autores consideran que el QBismo es internamente autoconsistente, pero no se adhieren a la interpretación. [ 46 ] Por ejemplo, Marchildon considera que el QBismo está bien definido, a diferencia de las interpretaciones de muchos mundos , pero en última instancia prefiere una interpretación bohmiana . [ 47 ] De manera similar, Schlosshauer y Claringbold afirman que el QBismo es una interpretación consistente de la mecánica cuántica, pero no emiten un veredicto sobre si debería preferirse. [ 48 ] Además, algunos coinciden con la mayoría, aunque quizás no con todos, los principios fundamentales del QBismo; la postura de Barnum, [ 49 ] así como la de Appleby, [ 50 ] son ​​ejemplos.

La cobertura mediática popularizada o semipopularizada del QBismo ha aparecido en New Scientist , [ 51 ] Scientific American , [ 52 ] Nature , [ 53 ] Science News , [ 54 ] la comunidad FQXi , [ 55 ] el Frankfurter Allgemeine Zeitung , [ 25 ] Quanta Magazine , [ 26 ] Aeon , [ 56 ] Discover , [ 57 ] Nautilus Quarterly , [ 58 ] y Big Think . [ 59 ] En 2018, dos libros de divulgación científica sobre la interpretación de la mecánica cuántica, Beyond Weird de Ball y Through Two Doors at Once de Ananthaswamy , dedicaron secciones al QBismo. [ 60 ] [ 61 ] Además, Harvard University Press publicó en 2016 el tratamiento divulgativo del tema de von Baeyer , QBism: The Future of Quantum Physics . [ 12 ]

La literatura filosófica también ha analizado el QBismo desde los puntos de vista del realismo estructural y de la fenomenología . [ 62 ] [ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]

Relación con otras interpretaciones

Foto de grupo de la conferencia de la Universidad de Konstanz de 2005 titulada "Ser bayesiano en un mundo cuántico".

Interpretaciones de Copenhague

Las opiniones de muchos físicos ( Bohr , Heisenberg , Rosenfeld , von Weizsäcker , Peres , etc.) suelen agruparse bajo el término « interpretación de Copenhague » de la mecánica cuántica. Varios autores han criticado esta terminología, argumentando que es históricamente engañosa y oculta diferencias entre físicos que son tan importantes como sus similitudes. [ 15 ] [ 66 ] El QBismo comparte muchas características con las ideas a menudo denominadas «interpretación de Copenhague», pero las diferencias son importantes; confundirlas o considerar el QBismo como una modificación menor de los puntos de vista de Bohr o Heisenberg, por ejemplo, sería una tergiversación sustancial. [ 11 ] [ 30 ]

El QBismo considera que las probabilidades son juicios personales del agente individual que utiliza la mecánica cuántica. Esto contrasta con las visiones más antiguas de tipo Copenhague, que sostienen que las probabilidades están dadas por estados cuánticos que, a su vez, están fijados por hechos objetivos sobre los procedimientos de preparación. [ 12 ] [ 67 ] El QBismo considera que una medición es cualquier acción que un agente realiza para obtener una respuesta del mundo y que el resultado de esa medición es la experiencia que la respuesta del mundo induce en ese agente. En consecuencia, la comunicación entre agentes es el único medio por el cual diferentes agentes pueden intentar comparar sus experiencias internas. Sin embargo, la mayoría de las variantes de la interpretación de Copenhague sostienen que los resultados de los experimentos son fragmentos de la realidad independientes del agente, accesibles para cualquiera. [ 11 ] El QBismo afirma que estos puntos en los que difiere de las interpretaciones anteriores de tipo Copenhague resuelven las ambigüedades que muchos críticos han encontrado en estas últimas, al cambiar el papel que desempeña la teoría cuántica (aunque el QBismo aún no proporciona una ontología subyacente específica ). Específicamente, el QBismo postula que la teoría cuántica es una herramienta normativa que un agente puede usar para navegar mejor la realidad, en lugar de un conjunto de mecanismos que la gobiernan. [ 22 ] [ 1 ]

Otras interpretaciones epistémicas

Los enfoques de la teoría cuántica, como el QBismo, [ 68 ] que tratan los estados cuánticos como expresiones de información, conocimiento, creencia o expectativa, se denominan interpretaciones "epistémicas". [ 7 ] Estos enfoques difieren entre sí en lo que consideran que los estados cuánticos representan como información o expectativas "sobre", así como en las características técnicas de las matemáticas que emplean. Además, no todos los autores que defienden puntos de vista de este tipo proponen una respuesta a la pregunta de a qué se refiere la información representada en los estados cuánticos. En palabras del artículo que introdujo el Modelo de Juguete de Spekkens :

Si un estado cuántico es un estado de conocimiento, y no es conocimiento de variables ocultas locales y no contextuales , ¿de qué trata entonces ese conocimiento? Actualmente no tenemos una buena respuesta a esta pregunta. Por lo tanto, nos mantendremos completamente agnósticos sobre la naturaleza de la realidad a la que se refiere el conocimiento representado por los estados cuánticos. Esto no significa que la pregunta no sea importante. Más bien, consideramos el enfoque epistémico como un proyecto inacabado, y esta pregunta como el principal obstáculo para su finalización. No obstante, sostenemos que, incluso en ausencia de una respuesta a esta pregunta, se puede argumentar a favor de la perspectiva epistémica. La clave reside en que se puede aspirar a identificar fenómenos característicos de estados de conocimiento incompleto, independientemente de a qué se refiera dicho conocimiento. [ 69 ]

Leifer y Spekkens proponen una forma de tratar las probabilidades cuánticas como probabilidades bayesianas, considerando así los estados cuánticos como epistémicos, lo que afirman que está "estrechamente alineado en su punto de partida filosófico" con el QBismo. [ 70 ] Sin embargo, se mantienen deliberadamente agnósticos sobre qué propiedades o entidades físicas son información (o creencias) sobre los estados cuánticos, a diferencia del QBismo, que ofrece una respuesta a esa pregunta. [ 70 ] Otro enfoque, defendido por Bub y Pitowsky, argumenta que los estados cuánticos son información sobre proposiciones dentro de espacios de eventos que forman retículos no booleanos . [ 71 ] En ocasiones, las propuestas de Bub y Pitowsky también se denominan "bayesianismo cuántico". [ 16 ] [ 72 ]

Zeilinger y Brukner también propusieron una interpretación de la mecánica cuántica en la que la "información" es un concepto fundamental y los estados cuánticos son cantidades epistémicas. [ 73 ] A diferencia del QBismo, la interpretación de Brukner-Zeilinger trata algunas probabilidades como objetivamente fijas. En esta interpretación, un estado cuántico representa la información que tendría un observador hipotético con acceso a todos los datos posibles. Dicho de otro modo, en su interpretación, un estado cuántico pertenece a un agente óptimamente informado , mientras que en el QBismo, cualquier agente puede formular un estado para codificar sus propias expectativas. [ 74 ] A pesar de esta diferencia, en la clasificación de Cabello, las propuestas de Zeilinger y Brukner también se denominan "realismo participativo", al igual que el QBismo y las interpretaciones de tipo Copenhague. [ 7 ]

Las interpretaciones bayesianas, o epistémicas, de las probabilidades cuánticas fueron propuestas a principios de la década de 1990 por Baez y Youssef. [ 16 ] [ 75 ] [ 76 ]

Las opiniones de Von Neumann

RF Streater afirmó que «el primer bayesiano cuántico fue von Neumann », basando esta afirmación en el libro de texto de von Neumann, Los fundamentos matemáticos de la mecánica cuántica . [ 77 ] Blake Stacey discrepa, argumentando que las ideas expresadas en ese libro sobre la naturaleza de los estados cuánticos y la interpretación de la probabilidad no son compatibles con el bayesianismo cuántico, ni, de hecho, con ninguna postura que pueda denominarse bayesianismo cuántico. [ 15 ]

Mecánica cuántica relacional

Comparisons have also been made between QBism and the relational quantum mechanics (RQM) espoused by Carlo Rovelli and others. [ 78 ] [ 79 ] In both QBism and RQM, quantum states are not intrinsic properties of physical systems. [ 80 ] Both QBism and RQM deny the existence of an absolute, universal wavefunction. Furthermore, both QBism and RQM insist that quantum mechanics is a fundamentally local theory. [ 20 ] [ 81 ] In addition, Rovelli, like several QBist authors, advocates reconstructing quantum theory from physical principles in order to bring clarity to the subject of quantum foundations. [ 82 ] (The QBist approaches to doing so are different from Rovelli's, and are described below .) One important distinction between the two interpretations is their philosophy of probability: RQM does not adopt the Ramsey de Finetti school of personalist Bayesianism. [ 7 ] [ 27 ] Además, RQM no insiste en que el resultado de una medición sea necesariamente la experiencia de un agente. [ 27 ]

Otros usos de la probabilidad bayesiana en física cuántica

El QBismo debe distinguirse de otras aplicaciones de la inferencia bayesiana en física cuántica y de los análogos cuánticos de la inferencia bayesiana. [ 19 ] [ 75 ] Por ejemplo, algunos en el campo de la informática han introducido un tipo de red bayesiana cuántica , que argumentan que podría tener aplicaciones en "diagnóstico médico, monitorización de procesos y genética". [ 83 ] [ 84 ] La inferencia bayesiana también se ha aplicado en la teoría cuántica para actualizar las densidades de probabilidad sobre estados cuánticos, [ 85 ] y los métodos MaxEnt se han utilizado de forma similar. [ 75 ] [ 86 ] Los métodos bayesianos para la tomografía de estados y procesos cuánticos son un área activa de investigación. [ 87 ]

Desarrollos técnicos y reconstrucción de la teoría cuántica

Las inquietudes conceptuales sobre la interpretación de la mecánica cuántica y el significado de la probabilidad han motivado el trabajo técnico. Una versión cuántica del teorema de De Finetti , introducida por Caves, Fuchs y Schack (refutando independientemente un resultado hallado por Størmer mediante métodos diferentes [ 88 ] ) para proporcionar una comprensión bayesiana de la idea de un "estado cuántico desconocido" [ 89 ] [ 90 ] , ha encontrado aplicación en otros ámbitos, en temas como la distribución de claves cuánticas [ 91 ] y la detección de entrelazamiento [ 92 ] .

Los defensores de varias interpretaciones de la mecánica cuántica, incluido el QBismo, se han visto motivados a reconstruir la teoría cuántica. El objetivo de estos esfuerzos de investigación ha sido identificar un nuevo conjunto de axiomas o postulados a partir de los cuales se pueda derivar la estructura matemática de la teoría cuántica, con la esperanza de que, con dicha reformulación, se puedan identificar más fácilmente las características de la naturaleza que hicieron que la teoría cuántica sea como es. [ 53 ] [ 93 ] [ 94 ] Aunque los principios fundamentales del QBismo no exigen tal reconstrucción, algunos QBistas —Fuchs , [ 18 ] en particular han argumentado que la tarea debería llevarse a cabo. [ 95 ]

Un tema destacado en el esfuerzo de reconstrucción es el conjunto de estructuras matemáticas conocidas como medidas simétricas, informacionalmente completas y con valores de operador positivo ( SIC-POVM ). La investigación fundamental de QBist estimuló el interés en estas estructuras, que ahora tienen aplicaciones en la teoría cuántica fuera de los estudios fundamentales [ 96 ] y en matemáticas puras. [ 97 ]

La reformulación de la teoría cuántica más explorada en QBist implica el uso de SIC-POVM para reescribir los estados cuánticos (ya sean puros o mixtos ) como un conjunto de probabilidades definidas sobre los resultados de una medición de la "Oficina de Estándares". [ 98 ] [ 99 ] Es decir, si se expresa una matriz de densidad como una distribución de probabilidad sobre los resultados de un experimento SIC-POVM, se pueden reproducir todas las predicciones estadísticas implícitas en la matriz de densidad a partir de las probabilidades SIC-POVM. [ 100 ] La regla de Born asume entonces el papel de relacionar una distribución de probabilidad válida con otra, en lugar de derivar probabilidades de algo aparentemente más fundamental. Fuchs, Schack y otros han comenzado a llamar a esta reformulación de la regla de Born urgleichung, del alemán para "ecuación primal" (véase el prefijo Ur- ), debido al papel central que desempeña en su reconstrucción de la teoría cuántica. [ 19 ] [ 101 ] [ 102 ]

La siguiente discusión presupone cierta familiaridad con las matemáticas de la teoría de la información cuántica y, en particular, con el modelado de procedimientos de medición mediante POVM . Consideremos un sistema cuántico al que está asociado und{\textstyle d}Espacio de Hilbert de dimensión . Si un conjunto ded2{\textstyle d^{2}}proyectores de rango -1Π^i{\displaystyle {\hat {\Pi }}_{i}}satisfactoriotrΠ^iΠ^j=dδij+1d+1{\displaystyle \operatorname {tr} {\hat {\Pi }}_{i}{\hat {\Pi }}_{j}={\frac {d\delta _{ij}+1}{d+1}}}Si existe, entonces se puede formar un SIC-POVM.H^i=1dΠ^i{\textstyle {\hat {H}}_{i}={\frac {1}{d}}{\hat {\Pi }}_{i}}Un estado cuántico arbitrarioρ^{\displaystyle {\hat {\rho }}}puede escribirse como una combinación lineal de los proyectores SICρ^=i=1d2[(d+1)PAG(Hi)1d]Π^i,{\displaystyle {\hat {\rho }}=\sum _{i=1}^{d^{2}}\left[(d+1)P(H_{i})-{\frac {1}{d}}\right]{\hat {\Pi }}_{i},}dóndePAG(Hi)=trρ^H^i{\textstyle P(H_{i})=\operatorname {tr} {\hat {\rho }}{\hat {H}}_{i}}es la probabilidad de la regla de Born para obtener el resultado de la medición SICHi{\displaystyle H_{i}}implícito en la asignación de estadoρ^{\displaystyle {\hat {\rho }}}Seguimos la convención de que los operadores tienen sombreros, mientras que las experiencias (es decir, los resultados de las mediciones) no. Consideremos ahora una medición cuántica arbitraria, denotada por la POVM.{D^j}{\displaystyle \{{\hat {D}}_{j}\}}. La urgleichung es la expresión obtenida al formar las probabilidades de la regla de Born,Q(Dj)=trρ^D^j{\textstyle Q(D_{j})=\operatorname {tr} {\hat {\rho }}{\hat {D}}_{j}}, para los resultados de esta medición cuántica,Q(Dj)=i=1d2[(d+1)PAG(Hi)1d]PAG(DjHi),{\displaystyle Q(D_{j})=\sum _{i=1}^{d^{2}}\left[(d+1)P(H_{i})-{\frac {1}{d}}\right]P(D_{j}\mid H_{i}),}dóndePAG(DjHi)trΠ^iD^j{\displaystyle P(D_{j}\mid H_{i})\equiv \operatorname {tr} {\hat {\Pi }}_{i}{\hat {D}}_{j}}es la probabilidad de la regla de Born para obtener el resultadoDj{\displaystyle D_{j}}implícito en la asignación de estadoΠ^i{\displaystyle {\hat {\Pi }}_{i}}. ElPAG(DjHi){\displaystyle P(D_{j}\mid H_{i})}El término puede entenderse como una probabilidad condicional en un escenario de medición en cascada: Imagine que un agente planea realizar dos mediciones, primero una medición SIC y luego la{Dj}{\displaystyle \{D_{j}\}}medición. Después de obtener un resultado de la medición SIC, el agente actualizará su asignación de estado a un nuevo estado cuántico.ρ^{\displaystyle {\hat {\rho }}'}antes de realizar la segunda medición. Si utiliza la regla de Lüders [ 103 ] para la actualización del estado y obtiene el resultadoHi{\displaystyle H_{i}}a partir de la medición de SIC, entoncesρ^=Π^i{\textstyle {\hat {\rho }}'={\hat {\Pi }}_{i}}Por lo tanto, la probabilidad de obtener el resultadoDj{\displaystyle D_{j}}para la segunda medición condicionada a la obtención del resultadoHi{\displaystyle H_{i}}para la medición SIC esPAG(DjHi){\displaystyle P(D_{j}\mid H_{i})}.

Nótese que el urgleichung es estructuralmente muy similar a la ley de probabilidad total , que es la expresiónPAG(Dj)=i=1d2PAG(Hi)PAG(DjHi).{\displaystyle P(D_{j})=\sum _{i=1}^{d^{2}}P(H_{i})P(D_{j}\mid H_{i}).}Funcionalmente, solo difieren por una transformación afín dependiente de la dimensión del vector de probabilidad SIC. Como QBism afirma que la teoría cuántica es una adición normativa empíricamente motivada a la teoría de la probabilidad, Fuchs y otros encuentran que la aparición de una estructura en la teoría cuántica análoga a una en la teoría de la probabilidad es un indicio de que una reformulación que destaque la urgleichung podría ayudar a revelar las propiedades de la naturaleza que hicieron tan exitosa a la teoría cuántica. [ 19 ] [ 22 ]

La Urgleichung no reemplaza la ley de la probabilidad total. Más bien, la Urgleichung y la ley de la probabilidad total se aplican en escenarios diferentes porquePAG(Dj){\displaystyle P(D_{j})}yQ(Dj){\displaystyle Q(D_{j})}se refieren a diferentes situaciones.PAG(Dj){\displaystyle P(D_{j})}es la probabilidad que un agente asigna para obtener un resultadoDj{\displaystyle D_{j}}en su segunda de las dos mediciones planificadas, es decir, para obtener el resultadoDj{\displaystyle D_{j}}después de realizar primero la medición SIC y obtener uno de losHi{\displaystyle H_{i}}resultados.Q(Dj){\displaystyle Q(D_{j})}Por otro lado, es la probabilidad que un agente asigna para obtener un resultadoDj{\displaystyle D_{j}}cuando no planea realizar primero la medición SIC. La ley de probabilidad total es consecuencia de la coherencia dentro del contexto operativo de realizar las dos mediciones descritas. La urgleichung, en cambio, es una relación entre diferentes contextos que encuentra su justificación en el éxito predictivo de la física cuántica.

La representación SIC de los estados cuánticos también proporciona una reformulación de la dinámica cuántica. Consideremos un estado cuántico.ρ^{\displaystyle {\hat {\rho }}}con representación de SICPAG(Hi){\textstyle P(H_{i})}La evolución temporal de este estado se obtiene aplicando un operador unitario .U^{\displaystyle {\hat {U}}}para formar el nuevo estadoU^ρ^U^{\textstyle {\hat {U}}{\hat {\rho }}{\hat {U}}^{\dagger }}, que tiene la representación SIC

PAGt(Hi)=tr[(U^ρ^U^)H^i]=tr[ρ^(U^H^iU^)].{\displaystyle P_{t}(H_{i})=\operatorname {tr} \left[({\hat {U}}{\hat {\rho }}{\hat {U}}^{\dagger }){\hat {H}}_{i}\right]=\operatorname {tr} \left[{\hat {\rho }}({\hat {U}}^{\dagger }{\hat {H}}_{i}{\hat {U}})\right].}

La segunda igualdad está escrita en la representación de Heisenberg de la dinámica cuántica, con respecto a la cual la evolución temporal de un sistema cuántico se captura mediante las probabilidades asociadas a una medición SIC rotada.{Dj}={U^H^jU^}{\textstyle \{D_{j}\}=\{{\hat {U}}^{\dagger }{\hat {H}}_{j}{\hat {U}}\}}del estado cuántico originalρ^{\displaystyle {\hat {\rho }}}Entonces, la ecuación de Schrödinger queda completamente capturada en la ecuación de Urgleichung para esta medición:PAGt(Hj)=i=1d2[(d+1)PAG(Hi)1d]PAG(DjHi).{\displaystyle P_{t}(H_{j})=\sum _{i=1}^{d^{2}}\left[(d+1)P(H_{i})-{\frac {1}{d}}\right]P(D_{j}\mid H_{i}).}En este sentido, la ecuación de Schrödinger es un ejemplo de la regla de Born aplicada al paso del tiempo; un agente la utiliza para relacionar cómo apostará por mediciones informativamente completas que potencialmente se realicen en diferentes momentos.

Los QBistas que consideran prometedor este enfoque buscan una reconstrucción completa de la teoría cuántica con el urgleichung como postulado clave. [ 101 ] (El urgleichung también se ha discutido en el contexto de la teoría de categorías . [ 104 ] ) Se pueden encontrar comparaciones entre este enfoque y otros no asociados con el QBismo (o de hecho con ninguna interpretación particular) en un capítulo de libro de Fuchs y Stacey [ 105 ] y en un artículo de Appleby et al. [ 101 ] A partir de 2017, los esfuerzos alternativos de reconstrucción QBista se encuentran en sus etapas iniciales. [ 106 ]

Véase también

Referencias

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