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重复可读态、自发塌缩和量子/经典界限OA

Repeatedly Readable State,Spontaneous Collapse,and Quantum/Classical Boundary

中文摘要英文摘要

本文提出了一个模型来确定量子/经典界限.该模型引入了态叠加的自发塌缩:d/dtpij=-i/ℏ[H,ρ]ij -ρij/τij.与其他塌缩模型不同,本模型的塌缩尺度τij 不包含任何普适参数,τij而是由 2 个态|i>和|j>本身来指定.如果原则上每个态都是可重复读取的[通常通过量子非破坏(QND)测量],则τij就是区分这2个态所需的测量时间,并且该塌缩自发发生,无需任何实际监控.若非如此,则τij=∞,意味着态之间将不会塌缩并永远处于叠加,这种情况会在一个态无法被重复读取或者在特定情况下无法区分 2 个态(例如在Rabi振荡中)时出现.详细分析表明,对于"阱中的薛定谔猫",如果ED≫4πℏc,则|here>和|there>的叠加是被禁止的;如果ED≤4πℏc,则叠加被允许,其中D是阱分离的距离,E是阱的能隙且可以用Mv2 估算.例如,假设D~10 µm和v~102 m/s,则量子/经典边界位于M~2×103GeV/c2 处.该模型还限制"自由的薛定谔猫"在pθd≥8ℏ时不显示干涉条纹,其中p=Mv,θ是 2 条轨迹所形成的角度,d是狭缝宽度.对于典型值v~103 m/s、θ~10-5 rad和d~10µm,量子/经典边界位于M~5 GeV/c2 处.令人印象深刻的是,用氦原子进行物质波干涉的实验恰好处在该边缘.另外,该模型对无质量光子的相干长度没有限制,因此迈克尔逊干涉仪的臂可以任意长.本文提出的自发塌缩可能发生在孤立系统中,并且与环境相互作用引起的退相干效应平行存在.

This paper proposes a model to determine the quantum/classical boundary.The model introduces a spontaneous collapse of state superposition:d/dtpij=-i/ℏ[H,ρ]ij −ρij/τij.Different from other collapse models,the collapsing scaleτij here does not contain a universal parameter,but is specified by the two states|i>and|j>.If each state is in principle repeatedly readable[typically by a quantum non-demolition(QND)measurement],then τij is the needed measuring time to discriminate the two states,and the collapse occurs spontaneously without any actual monitoring.Otherwise,τij=∞,which means no collapse and everlasting superposition.This happens if one state is not repeatedly readable,or if the two states cannot possibly be discriminated in a particular circumstance(for example,in the Rabi oscillation).Detailed analysis shows that for a"trapped Schrödinger's cat",the superposition of|here>and|there>is forbidden if ED ≫ 4πℏc,and allowed if ED≤4πℏc,where D is the trap separation and E is the energy gap,which can be estimated with Mv2.For example,if D ~ 10 µm and v ~ 102 m/s,then the quantum/classical boundary is at M ~ 2×103 GeV/c2.The model also constrains a"free Schrödinger's cat"to display double-slit interference if pθd≥8ℏ,where p=Mv,θ is the angle spanned by the two trajectories,and d is the slit width.For typical values v ~ 103 m/s,θ ~ 10−5 rad,and d ~ 10 µm,the quantum/classical boundary is at M ~ 5 GeV/c2,which,impressively,is just marginal for the performed experiments with Helium.In contrast,this model sets no limit on the coherent length of massless photon,thus the arm of a Michelson interferometer can be arbitrarily long.The spontaneous collapse which we propose can occur for an isolated system,and parallels the decoherence induced by interaction with the environment.

彭小富;罗宇航;朱江;华邦辉;陈雪楠;连丹丹;陈子维;陈相松

华中科技大学 物理学院,湖北 武汉 430074海南师范大学 物理与电子工程学院,海南 海口 571158上海交通大学 物理与天文学院,上海 200240华中科技大学 物理学院,湖北 武汉 430074华中科技大学 物理学院,湖北 武汉 430074海南师范大学 物理与电子工程学院,海南 海口 571158海南师范大学 物理与电子工程学院,海南 海口 571158华中科技大学 物理学院,湖北 武汉 430074||海南师范大学 物理与电子工程学院,海南 海口 571158

数理科学

量子测量问题自发塌缩模型量子/经典界限重复可读性

quantum measurement problemspontaneous collapse modelquantum/classical boundaryrepeatable read-ability

《海南师范大学学报(自然科学版)》 2026 (1)

1-12,12

国家自然科学基金项目(11535005)

10.12051/j.issn.1674-4942.2026.01.001

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