В математическом изучении логики и физическом анализе квантовых основ квантовая логика представляет собой набор правил для манипулирования предложениями, вдохновленными структурой квантовой теории . Формальная система берет за отправную точку наблюдение Гаррета Биркгофа и Джона фон Неймана о том, что структура экспериментальных испытаний в классической механике образует булеву алгебру , но структура экспериментальных испытаний в квантовой механике образует гораздо более сложную структуру.
Для анализа квантово-механических явлений также был предложен ряд других логик, к сожалению, также под названием «квантовая логика(и)». Они не являются предметом этой статьи. Для обсуждения сходств и различий между квантовой логикой и некоторыми из этих конкурентов см. § Связь с другими логиками .
Квантовая логика была предложена как правильная логика для пропозиционального вывода в целом, в частности, философом Хилари Патнэмом , по крайней мере, в один момент его карьеры. Этот тезис был важным компонентом в статье Патнэма 1968 года « Является ли логика эмпирической? », в которой он проанализировал эпистемологический статус правил пропозициональной логики. Современные философы отвергают квантовую логику как основу для рассуждения, потому что в ней отсутствует материальное условное выражение ; распространенной альтернативой является система линейной логики , фрагментом которой является квантовая логика.
Математически квантовая логика формулируется путем ослабления закона распределения для булевой алгебры, что приводит к ортодополняемой решетке . Квантово-механические наблюдаемые и состояния могут быть определены в терминах функций на или к решетке, что дает альтернативный формализм для квантовых вычислений.
Наиболее заметным различием между квантовой и классической логикой является несостоятельность пропозиционального закона дистрибуции : [1]
где символы p , q и r являются пропозициональными переменными.
Чтобы проиллюстрировать, почему распределительный закон не работает, рассмотрим частицу, движущуюся по прямой, и (используя некоторую систему единиц, в которой приведенная постоянная Планка равна 1) пусть [Примечание 1]
Мы можем заметить, что:
Другими словами, состояние частицы представляет собой взвешенную суперпозицию импульсов между 0 и +1/6 и положений между −1 и +3.
С другой стороны, предложения " p и q " и " p и r " каждое утверждает более жесткие ограничения на одновременные значения положения и импульса, чем это допускается принципом неопределенности (каждое из них имеет неопределенность 1/3, что меньше разрешенного минимума 1/2). Таким образом, нет состояний, которые могли бы поддержать любое из предложений, и
В своем классическом трактате 1932 года «Математические основы квантовой механики » Джон фон Нейман отметил, что проекции на гильбертово пространство можно рассматривать как предложения о физических наблюдаемых; то есть как потенциальные вопросы «да» или «нет», которые наблюдатель может задать о состоянии физической системы, вопросы, которые могут быть решены с помощью некоторого измерения. [2] Принципы манипулирования этими квантовыми предложениями были затем названы квантовой логикой фон Нейманом и Биркгофом в статье 1936 года. [3]
Джордж Макки в своей книге 1963 года (также называемой «Математические основы квантовой механики ») попытался аксиоматизировать квантовую логику как структуру ортодополненной решетки и признал, что физическая наблюдаемая может быть определена в терминах квантовых предложений. Хотя презентация Макки все еще предполагала, что ортодополненная решетка является решеткой замкнутых линейных подпространств сепарабельного гильбертова пространства, [ 4] Константин Пирон , Гюнтер Людвиг и другие позже разработали аксиоматизации , которые не предполагают базовое гильбертово пространство. [5]
Вдохновленный недавней защитой общей теории относительности Гансом Райхенбахом , философ Хилари Патнэм популяризировал работу Макки в двух статьях 1968 и 1975 годов [6] , в которых он приписал идею о том, что аномалии, связанные с квантовыми измерениями, возникают из-за сбоя самой логики, своему соавтору, физику Дэвиду Финкельштейну [7] . Патнэм надеялся разработать возможную альтернативу скрытым переменным или коллапсу волновой функции в проблеме квантовых измерений , но теорема Глисона представляет серьезные трудности для этой цели. [6] [8] Позже Патнэм отказался от своих взглядов, хотя и с гораздо меньшей помпой, [6], но ущерб был нанесен. В то время как первоначальная работа Биркгофа и фон Неймана была лишь попыткой организовать вычисления, связанные с копенгагенской интерпретацией квантовой механики, теперь возникла школа исследователей, которые либо надеялись, что квантовая логика предоставит жизнеспособную теорию скрытых переменных, либо устранит необходимость в ней. [9] Их работа оказалась бесплодной и теперь имеет дурную репутацию. [10]
Большинство философов считают квантовую логику непривлекательным конкурентом классической логики . Далеко не очевидно (хотя и верно [11] ), что квантовая логика является логикой , в смысле описания процесса рассуждения, в отличие от особенно удобного языка для обобщения измерений, выполняемых квантовыми аппаратами. [12] [13] В частности, современные философы науки утверждают, что квантовая логика пытается заменить метафизическими трудностями нерешенные проблемы в физике, вместо того чтобы должным образом решать физические проблемы. [14] Тим Модлин пишет, что квантовая «логика „решает“ проблему [измерения] , делая проблему невозможной для формулировки». [15]
Лошадь квантовой логики так избита, избита и побита, и она так основательно сдохла, что... вопрос не в том, поднимется ли лошадь снова, а в том: как эта лошадь вообще сюда попала? История квантовой логики — это не история о том, как многообещающая идея испортилась, это скорее история о неустанном преследовании плохой идеи. ... Многие, многие философы и физики были убеждены, что изменение логики (и, что наиболее драматично, отказ от классической логики) каким-то образом поможет в понимании квантовой теории или каким-то образом предлагается или навязывается нам квантовой теорией. Но квантовая логика, даже во многих своих воплощениях и вариациях, как в технической форме, так и в интерпретации, никогда не давала результата.
— Модлин, Хилари Патнэм , стр. 184–185
Квантовая логика по-прежнему ограниченно используется логиками как крайне патологический контрпример (Далла Кьяра и Джунтини: «Почему квантовая логика? Просто потому, что «квантовая логика существует!») [16] Хотя центральным пониманием квантовой логики остается математический фольклор как интуитивный насос для категоризации , обсуждения редко упоминают квантовую логику. [17]
Лучший шанс на возрождение квантовой логики связан с недавним развитием квантовых вычислений , которые породили множество новых логик для формального анализа квантовых протоколов и алгоритмов (см. также § Связь с другими логиками). [18] Логика также может найти применение в (вычислительной) лингвистике.
Квантовую логику можно аксиоматизировать как теорию предложений по модулю следующих тождеств: [19]
(«¬» — традиционное обозначение « не », «∨» — обозначение « или », а «∧» — обозначение « и ».)
Некоторые авторы ограничиваются ортомодулярными решетками , которые дополнительно удовлетворяют ортомодулярному закону: [20]
(«⊤» — традиционное обозначение истины , а «⊥» — традиционное обозначение ложности .)
Альтернативные формулировки включают предложения, выводимые посредством естественной дедукции , [16] последовательного исчисления [21] [22] или системы таблиц . [23] Несмотря на относительно развитую теорию доказательств , квантовая логика, как известно, не разрешима . [19]
Оставшаяся часть статьи предполагает, что читатель знаком со спектральной теорией самосопряженных операторов в гильбертовом пространстве. Однако основные идеи можно понять и в конечномерном случае.
Гамильтоновы формулировки классической механики содержат три ингредиента: состояния , наблюдаемые и динамика . В простейшем случае одной частицы, движущейся в R3 , пространством состояний является пространство положения-импульса R6 . Наблюдаемая — это некоторая вещественная функция f в пространстве состояний. Примерами наблюдаемых являются положение, импульс или энергия частицы. Для классических систем значение f(x), то есть значение f для некоторого конкретного состояния системы x , получается в процессе измерения f .
Предложения , касающиеся классической системы, генерируются из основных утверждений вида
через обычные арифметические операции и точечные пределы . Из этой характеристики предложений в классических системах легко следует, что соответствующая логика идентична булевой алгебре борелевских подмножеств пространства состояний. Таким образом, они подчиняются законам классической пропозициональной логики (таким как законы де Моргана ) с операциями над множествами объединения и пересечения, соответствующими булевым конъюнктивам , и включением подмножеств, соответствующим материальной импликации .
На самом деле верно более сильное утверждение: они должны подчиняться бесконечной логике L ω 1 ,ω .
Мы суммируем эти замечания следующим образом: Система предложений классической системы представляет собой решетку с выделенной операцией ортодополнения : Решеточные операции встречи и соединения являются соответственно пересечением множеств и объединением множеств. Операция ортодополнения является дополнением множеств. Более того, эта решетка является последовательно полной , в том смысле, что любая последовательность { E i } i ∈ N элементов решетки имеет наименьшую верхнюю границу , а именно теоретико-множественное объединение:
В формулировке квантовой механики в гильбертовом пространстве , представленной фон Нейманом, физическая наблюдаемая представлена некоторым (возможно, неограниченным ) плотно определенным самосопряженным оператором A в гильбертовом пространстве H. A имеет спектральное разложение , которое является проекционно-значной мерой E , определенной на борелевских подмножествах R. В частности, для любой ограниченной борелевской функции f на R можно сделать следующее расширение f до операторов:
В случае, если f — индикаторная функция интервала [ a , b ], оператор f ( A ) — самосопряженная проекция на подпространство обобщенных собственных векторов A с собственным значением в [ a , b ] . Это подпространство можно интерпретировать как квантовый аналог классического предложения
Это предполагает следующую квантово-механическую замену ортодополненной решетки предложений в классической механике, по сути, аксиому VII Макки :
Пространство Q квантовых предложений также является последовательно полным: любая попарно непересекающаяся последовательность { V i } i элементов Q имеет наименьшую верхнюю границу. Здесь непересекаемость W 1 и W 2 означает, что W 2 является подпространством W 1 ⊥ . Наименьшая верхняя граница { V i } i является замкнутой внутренней прямой суммой .
Стандартная семантика квантовой логики заключается в том, что квантовая логика — это логика проекционных операторов в сепарабельном гильбертовом или предгильбертовом пространстве , где наблюдаемое p связано с набором квантовых состояний , для которых p (при измерении) имеет собственное значение 1. Отсюда,
Эта семантика обладает тем приятным свойством, что предгильбертово пространство является полным (т. е. Гильбертовым) тогда и только тогда, когда предложения удовлетворяют ортомодуляторному закону, результат, известный как теорема Солера . [24] Хотя большая часть развития квантовой логики была мотивирована стандартной семантикой, она не характеризуется последней; существуют дополнительные свойства, которым удовлетворяет эта решетка, которые не обязательно должны выполняться в квантовой логике. [16]
Структура Q сразу же указывает на разницу со структурой частичного порядка классической системы предложений. В классическом случае, если дано предложение p , уравнения
имеют ровно одно решение, а именно теоретико-множественное дополнение p . В случае решетки проекций существует бесконечно много решений приведенных выше уравнений (любое замкнутое алгебраическое дополнение p решает его; оно не обязательно должно быть ортодополнением).
В более общем смысле, пропозициональная оценка имеет необычные свойства в квантовой логике. Ортодополняемая решетка, допускающая полный гомоморфизм решетки в {⊥,⊤}, должна быть булевой. Стандартный обходной путь — изучать максимальные частичные гомоморфизмы q со свойством фильтрации:
Выражения в квантовой логике описывают наблюдаемые с помощью синтаксиса, который напоминает классическую логику. Однако, в отличие от классической логики, распределительный закон a ∧ ( b ∨ c ) = ( a ∧ b ) ∨ ( a ∧ c ) не работает при работе с некоммутирующими наблюдаемыми , такими как положение и импульс. Это происходит, потому что измерение влияет на систему, а измерение того, выполняется ли дизъюнкция, не измеряет, какой из дизъюнктов истинен.
Например, рассмотрим простую одномерную частицу с положением, обозначенным x , и импульсом p , и определим наблюдаемые величины:
Теперь положение и импульс являются преобразованиями Фурье друг друга, а преобразование Фурье квадратично интегрируемой ненулевой функции с компактным носителем является целым и, следовательно, не имеет неизолированных нулей. Следовательно, не существует волновой функции, которая была бы одновременно нормализована в импульсном пространстве и обращалась бы в нуль точно при x ≥ 0. Таким образом, a ∧ b и аналогично a ∧ c ложны, поэтому ( a ∧ b ) ∨ ( a ∧ c ) ложно. Однако a ∧ ( b ∨ c ) равно a , что, безусловно, не ложно (существуют состояния, для которых это является приемлемым результатом измерения ). Более того: если соответствующее гильбертово пространство для динамики частицы допускает только импульсы не больше 1, то a истинно.
Чтобы понять больше, пусть p 1 и p 2 будут функциями импульса (преобразованиями Фурье) для проекций волновой функции частицы на x ≤ 0 и x ≥ 0 соответственно. Пусть | p i |↾ ≥1 будет ограничением p i на импульсы, которые (по абсолютной величине) ≥1.
( a ∧ b ) ∨ ( a ∧ c ) соответствует состояниям с | p 1 |↾ ≥1 = | p 2 |↾ ≥1 = 0 (это справедливо, даже если мы определили p по-другому, чтобы сделать такие состояния возможными; также a ∧ b соответствует | p 1 |↾ ≥1 =0 и p 2 =0). Между тем, a соответствует состояниям с | p |↾ ≥1 = 0. Как оператор, p = p 1 + p 2 , и ненулевые | p 1 |↾ ≥1 и | p 2 |↾ ≥1 могут интерферировать, производя ноль | p |↾ ≥1 . Такое вмешательство является ключом к богатству квантовой логики и квантовой механики.
Для заданной ортодополняемой решетки Q наблюдаемое Макки φ является счетно-аддитивным гомоморфизмом из ортодополняемой решетки борелевских подмножеств R в Q. В символах это означает, что для любой последовательности { S i } i попарно непересекающихся борелевских подмножеств R {φ( S i )} i являются попарно ортогональными предложениями (элементами Q ) и
Эквивалентно, наблюдаемая величина Макки является проекционно-значной мерой на R.
Теорема ( Спектральная теорема ). Если Q — решетка замкнутых подпространств Гильберта H , то существует биективное соответствие между наблюдаемыми Макки и плотно определенными самосопряженными операторами на H.
Квантовая вероятностная мера — это функция P, определенная на Q со значениями в [0,1] такими, что P("⊥)=0, P(⊤)=1 и если { E i } i — последовательность попарно ортогональных элементов Q , то
Каждая квантовая вероятностная мера на замкнутых подпространствах гильбертова пространства индуцируется матрицей плотности — неотрицательным оператором следа 1. Формально ,
Квантовая логика встраивается в линейную логику [26] и модальную логику B. [16] Действительно, современные логики для анализа квантовых вычислений часто начинаются с квантовой логики и пытаются привить к ней желаемые черты расширения классической логики; результаты затем обязательно встраивают квантовую логику. [27] [28]
Ортодополненная решетка любого набора квантовых предложений может быть встроена в булеву алгебру, которая затем поддается классической логике. [29]
Хотя многие трактовки квантовой логики предполагают, что базовая решетка должна быть ортомодулярной, такие логики не могут обрабатывать множественные взаимодействующие квантовые системы. В примере, полученном Фулисом и Рэндаллом, существуют ортомодулярные предложения с конечномерными моделями Гильберта, спаривание которых не допускает ортомодулярной модели. [8] Аналогично, квантовая логика с ортомодулярным законом фальсифицирует теорему дедукции . [30]
Квантовая логика не допускает разумных материальных условных предложений ; любая связочка , которая является монотонной в определенном техническом смысле, сводит класс предложений к булевой алгебре . [31] Следовательно, квантовая логика изо всех сил пытается представить течение времени. [26] Одним из возможных обходных путей является теория квантовых фильтраций , разработанная в конце 1970-х и 1980-х годах Белавкиным . [32] [33] Известно, однако, что система BV , глубокий выводной фрагмент линейной логики , который очень близок к квантовой логике, может обрабатывать произвольные дискретные пространства-времена . [34]