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¿Existe una descripción intuitiva del entrelazamiento en el vacío?

La gente a menudo se refiere al hecho de que el vacío es un estado enredado (Es incluso descrito como máximo estado enredado ).

Intentaba hacerme una idea de lo que eso significa realmente. El problema es que la mayoría de las descripciones de esto se hacen en el formalismo de AQFT, con el que no estoy muy familiarizado. Las definiciones de enredo que me resultan familiares son las de la forma

Sistema S Espacio de Hilbert $\mathcal{H}$ f $\mathcal{H}=\mathcal{H}_A \otimes \mathcal{H}_B$ w dos subsistemas de S. Un estado entrelazado no puede escribirse en t $\phi_A \otimes \phi_B$

Existen entonces varias medidas de esto, como la entropía de entrelazamiento.

Así que mi pregunta es - ¿es posible describir el entrelazamiento del vacío QFT en estos términos más familiares?

¿Puede darse tal descripción para un ejemplo sencillo de QFT, digamos un campo de Klein Gordon en el espacio de Minkowski?

6voto

heathrow Puntos 25

Si tienes un oscilador armónico en x, la función de onda del estado fundamental es una gaussiana;

$$ H = {p^2\over 2} + {\omega^2 x^2\over 2} $$

$$ \psi_0(x) = e^{ - {\omega x^2\over 2}} $$

Si tienes dos osciladores independientes x,y;

$$ H = {p_x^2\over 2} + {p_y^2\over 2} + {\omega_1^2 x^2\over 2} + {\omega_2^2 y^2\over 2} $$

el estado básico es un producto:

$$ \psi_0(x,y) = e^{-{\omega_1 x^2\over 2}} e^{-{\omega_2 y^2\over 2}} $$

Por lo tanto, no hay entrelazamiento en el estado básico entre x e y. Pero si se mira en una base rotada (y $\omega_1 \ne \omega_2$ ), hay entrelazamiento.

Para un campo cuántico escalar en un enrejado espacial en volumen finito (el tiempo sigue siendo continuo), tienes (si transformas de Fourier en el espacio) un montón de osciladores armónicos desacoplados (la suma en k es sobre k's no redundantes para un campo escalar real, esto es la mitad del espacio completo $k_x>0$ ):

$$ H = \sum_k {1\over 2} \dot{\phi_k}^2 + {k^2+m^2\over 2} \phi^2 $$

Que es un montón de osciladores desacoplados, por lo que el estado de reposo es;

$$ \psi_0(\phi_k) = \prod_k e^{-{\sqrt{k^2+m^2} |\phi_k|^2\over 2}} $$

Eso no está enredado en términos de $\phi_k$ pero en términos de $\phi_x$ (en la red), está enredado. La función de onda del vacío Gaussian puede expresarse aquí como:

$$ \psi_0(\phi) = e^{-\int_{x,y} \phi(x) J(x-y) \phi(y)} $$

Dónde $J(x-y) = {1\over 2} \sqrt{\nabla^2 + m^2} $ es no el propagador, es este extraño operador no local de raíz cuadrada.

El vacío para las teorías de campo bosónico es una distribución estadística, es una distribución de probabilidad, que es la probabilidad de encontrar una configuración de campo $\phi$ en una simulación Monte Carlo en cualquier corte de tiempo imaginario de una simulación (cuando se hace larga la coordenada t). Esta es una interpretación del hecho de que sea real y positiva. Las correlaciones en esta distribución de probabilidad son las correlaciones de vacío, y para campos libres son sencillas de calcular.

En mi opinión, no merece la pena leer el material sobre la teoría axiomática de campos. Es ofuscador y revela ignorancia de las ideas fundamentales del campo, incluidas las de Montecarlo y las integrales de trayectoria.

Función de onda de vacío general para campos bosónicos

En cualquier integral de trayectoria para campos bosónicos con una acción real (teoría invariante PT), y esto incluye la teoría pura de Yang-Mills y las teorías con fermiones integrados, la función de onda del vacío es exactamente lo mismo que la distribución de probabilidad de los valores de campo en la formulación del tiempo euclídeo de la teoría. Esto es cierto fuera de la teoría de perturbaciones, y hace completamente ridículo que la teoría matemática rigurosa no exista. La razón es que los límites de las distribuciones de probabilidad en los campos a medida que la red se vuelve fina son molestos de definir en la teoría de la medida, ya que se convierten en medidas sobre distribuciones.

Para verlo, obsérvese que en t=0, ni la teoría del tiempo imaginario ni la del tiempo real tienen factores de evolución temporal, por lo que son equivalentes. Así que en una caja imaginaria ilimitada en el tiempo, los valores esperados en la teoría euclidiana en una rebanada de tiempo son iguales a los valores esperados en el vacío de igual tiempo en las teorías lorentzianas.

Esto te da una definición Monte Carlo de la función de onda del vacío de cualquier teoría de campo bosónica invariante PT, libre o no. Esta es la principal idea sobre los estados básicos debida a Feynman, descrita explícitamente en la integral de trayectoria y en el trabajo sobre el estado básico del He4 líquido en la década de 1950 (este es también un sistema bosónico, por lo que el estado básico es una distribución de probabilidad). Se utiliza para describir el vacío 2+1 Yang-Mills en 1981 por Feynman (su último trabajo publicado), y este trabajo se extiende para calcular la tensión de la cuerda por Karbali y Nair hace aproximadamente una década.

5voto

Xiao-Gang Wen Puntos 6448

Para responder a la pregunta "¿Existe una descripción intuitiva del entrelazamiento en el vacío? nos gustaría señalar que para definir el entrelazamiento en una teoría cuántica (definida por un espacio de Hilbert y un Hamiltoniano), tenemos que suponer que el total Hilbert es un producto directo de espacios Hilbert locales: $\cal{H}_{tot}=\otimes_i \cal{H}_i$ . (Por ejemplo, en un modelo reticular, $\cal{H}_i$ puede ser el espacio de Hilbert en sitio- $i$ .) Dicha estructura de producto directo puede considerarse como una terminación UV de una teoría cuántica de campos. Por lo tanto, para discutir el entrelazamiento en el vacío, necesitamos suponer que el espacio de Hilbert total de nuestro universo tiene la estructura $\cal{H}_{tot}=\otimes_i \cal{H}_i$ . La siguiente discusión se basa en tal suposición donde el "vacío" es simplemente el vector del estado básico en el espacio total de Hilbert $\cal{H}_{tot}$ .

Los estados básicos de casi todos los hamiltonianos están entrelazados (ya que esos estados básicos en general no son estados producto). Así pues, el vacío, al igual que un estado básico genérico, también es un estado entrelazado.

Sin embargo, el vacío de nuestro universo es muy espectral: nuestro vacío es en realidad un estado entrelazado de largo alcance o lo que es lo mismo, a estado topológicamente ordenado . Esto se debe a que sólo estados entrelazados de largo alcance se sabe que producen ondas electromagnéticas que satisfacen la ecuación de Maxwell y fermiones que satisfacen las ecuaciones de Dirac (como excitaciones colectivas por encima del estado básico). Escribí un artículo para describirlo en detalle. Véase también el PE pregunta .

Así que el hecho de que nuestro vacío soporte fotones y fermiones (como cuasipartículas) implica que nuestro vacío es un estado entrelazado de largo alcance.

4voto

Giacomo Verticale Puntos 1035

Las diapositivas de Summers hacen un mal uso de la terminología convencional (aunque por una razón formalmente justificada que se explica más adelante), lo que introduce confusión.

Los estados entrelazados se definen, según la definición convencional (como se indica, por ejemplo, en Wikipedia), en un producto tensorial con más de un factor de dimensión $>1$ .

Por otra parte, el estado de vacío de una teoría libre y de cualquier representación asintótica de una teoría interactuante es un estado definido en un espacio de Fock, que es una suma directa de todos los espacios de producto tensorial $H_N$ que representa la $N$ -sector de partículas ( $N=0,1,2,\dots$ ). Por definición, el estado de vacío abarca $0$ -que es un espacio unidimensional y no forma parte de ninguno de los espacios de producto tensorial dentro del espacio de Fock.

Por lo tanto, no tiene sentido (es decir, no está respaldado por definiciones formales coherentes) llamar al estado de vacío enredado en el sentido convencional.

Para desentrañar aún más las cosas, puede ser un buen ejercicio considerar la QM no relativista en el segundo formalismo de cuantización utilizado en la mecánica estadística. Allí lo anterior se ve claramente e interpretable en términos de funciones de onda multipartícula ordinarias, y queda claro que la aplicación de Summer del concepto convencional de entrelazamiento al estado de vacío es espuria.

Sin embargo, Summers introduce en la diapositiva 12 una diferente concepto de entrelazamiento adaptado a los estados en una teoría cuántica de campos, que se aplica al estado de vacío. Está vagamente relacionado con el entrelazamiento ordinario en el sentido de que el $N=1$ sector de una QFT está representado por 2 puntos vacío funciones de correlación, aunque ninguno de los estados con $N=1$ es un estado de vacío. Por lo tanto, se puede imitar la desigualdad de Bell habitual en este marco.

Según este definición, las declaraciones de Summers sobre el estado de vacío tienen sentido. Pero no deben confundirse con el entrelazamiento ordinario, ya que representan, trasladadas a la QM ordinaria, afirmaciones sobre pares de estados de 1 partícula en lugar de afirmaciones sobre el vacío.

Edición: La analogía en la que deben considerarse las cosas es que, en el caso de la QFT, el producto tensorial no se realiza sobre el espacio de estados, sino sobre un espacio de operadores convenientemente elegido. Por ello, la maquinaria formal de tipo Bell puede adaptarse a esta situación.

2voto

AgentConundrum Puntos 10107

Para un campo cuántico no interactuante, toda la estructura matemática de los VEVs puramente gaussianos, es decir, el estado de vacío, está contenida en el VEV de 2 puntos, que para el campo KG es la distribución $$\left<0\right|\hat\phi(x+y)\hat\phi(y)\left|0\right>=\frac{m\theta(x^2)}{8\pi\sqrt{x^2}}\left[Y_1(m\sqrt{x^2})+\epsilon(x_0)iJ_1(m\sqrt{x^2})\right]-\frac{\epsilon(x_0)i}{4\pi}\delta(x^2)$$ $$\hspace{7em}+\frac{m\theta(-x^2)}{4\pi^2\sqrt{-x^2}}K_1(m\sqrt{-x^2}).$$ La segunda línea indica la función de correlación con una separación similar a la del espacio, en la que siempre es posible realizar mediciones conjuntas, mientras que con una separación similar a la del tiempo o la luz, la componente imaginaria de la primera línea hace que las mediciones sean incompatibles. Por supuesto, la incompatibilidad de las mediciones introduce problemas que no se pueden resolver fácilmente de forma intuitiva, pero lo anterior muestra la naturaleza de las correlaciones para el caso del campo libre.

El término de la función de Bessel a una separación similar a la del espacio es $\frac{1}{4\pi^2(-x^2)}$ en pequeño $x$ mientras que asintóticamente se convierte en $\sqrt{\frac{2m}{\pi^3\sqrt{-x^2}^3}}\,\frac{\exp{\left(-m\sqrt{-x^2}\right)}}{8}$ para grandes $x$ .

Para los campos que interactúan, la función de 2 puntos tiene siempre una forma comparable, difuminada por una densidad de masa, la representación de Källén-Lehmann pero los VEV de orden superior son relativamente no triviales.

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