Probing reality : exploring realism, classicality, and measurement

Abstract

Resumo: Este trabalho aborda três questões fundacionais da mecânica quântica: realismo, classicalidade e medição. Utilizando a estrutura de teorias probabilísticas generalizadas (GPT), é proposto um critério de realismo independente de teoria. Fundamentado na premissa de que, em teorias realistas, medições revelam elementos preexistentes da realidade sem perturbar o estado físico, este critério generaliza a noção de realismo de Bilobran-Angelo (BA), ao qual se reduz no contexto da mecânica quântica. Duas medidas de desvio do realismo são introduzidas: a robustez de irrealismo, que quantifica a mistura mínima necessária para que um estado perca suas propriedades de irrealismo, e a divergência de realismo, que mede os desvios entre as probabilidades de um estado e seu correspondente após uma medição não seletiva. Uma análise numérica demonstra a compatibilidade qualitativa entre essas medidas e o quantificador de irrealismo de BA. A partir disso, um critério de classicalidade baseado em realismo também é proposto, fundamentado em teorias simpliciais e contextualizado na mecânica quântica em cenários envolvendo o estado completamente misto. Um modelo simplificado de medições sequenciais não seletivas em pares de observáveis não comutantes é analisado como uma representação de monitoramento ambiental contínuo, demonstrando que um regime operacionalmente clássico pode emergir com apenas dois graus de liberdade no ambiente. Adicionalmente, uma medida de classicalidade baseada em realismo é introduzida, com estudos de caso realizados para qubits e qutrits. Por fim, o problema da medição é explorado dentro de uma estrutura relacional inspirada no cenário do amigo de Wigner. Um arranjo experimental mínimo é proposto, envolvendo um agente, um sistema e um laboratório, juntamente com postulados que enfatizam o papel do agente como um sumidouro de informação. Essa interpretação destaca a estrutura hierárquica dos privilégios informacionais na medição, o descarte de sistemas medidos e as bases conceituais do processo de medição. A segunda lei da termodinâmica é reinterpretada como o aumento de termos de entropia local. Além disso, o paradoxo do amigo de Wigner é reformulado através de um experimento mental modificado, chamado "amigo de Wigner flutuante, que introduz um regime informacional completamente simétrico, onde todas as todos os observadores concordam em suas descrições. O problema da medição é então avaliado sob esta estrutura

Abstract: This work addresses three foundational issues in quantum mechanics: realism, classicality, and measurement. Using the framework of generalized probabilistic theories (GPT), a novel theory-independent criterion for realism is devised. Grounded in the premise that, in realist theories, measurements reveal preexisting elements of reality without disturbing the physical state, this criterion generalizes the Bilobran-Angelo (BA) notion of realism, to which it reduces in the quantum mechanical context. Two measures of deviation from realism are introduced: robustness of irrealism, which quantifies the minimal mixing required for a state to lose its irrealism properties, and the divergence of realism, which measures deviations for the probabilities of a state and its post nonselective measurement counterpart. A numerical analysis demonstrates qualitative compatibility between these measures and BA’s irrealism quantifier. Building on this, a realism-based classicality criterion is proposed, rooted in simplicial theories and contextualized in quantum mechanics as scenarios involving the completely mixed state. A toy model of sequential pairwise nonselective measurements on noncommuting observables is analyzed as a simplified representation of continuous environmental monitoring, demonstrating that an operationally classical regime can emerge with only two environmental degrees of freedom. Additionally, a measure of realism-based classicality is introduced, with case studies conducted for qubits and qutrits. Finally, the measurement problem is explored within a relational framework inspired by the Wigner’s friend scenario. A minimal experimental setup is proposed, involving an agent, a system, and a laboratory, alongside postulates emphasizing the agent’s role as an information sink. This interpretation highlights the hierarchical structure of informational privileges in measurement protocols, the discarding of measured systems, and the conceptual foundation of the measurement process. The second law of thermodynamics is reinterpreted as the increase of local entropy terms. Furthermore, the Wigner’s friend paradox is reframed through a modified thought experiment, the floating Wigner’s friend, which introduces a completely symmetric informational regimen where all observable descriptions are concordant. The measurement problem is subsequently evaluated under this framework