Vizualizare sursă pentru „Decoerență cuantică”

{{note de subsol|date=iunie 2021}}{{Mecanică cuantică}}
În [[mecanica cuantică]], '''decoerența cuantică''' este mecanismul prin care sistemele cuantice interacționează cu mediul înconjurător căpătând caracteristici probabilistice suplimentare. Este fenomenul prin care lumea particulelor cuantice se transformă în lumea solidă pe care o vedem și o palpăm, {{nc|datorită interacțiunii cu gravitația}}. Decoerența cuantică generează ''aparența'' [[colapsul funcției de undă|colapsului funcției de undă]] și justifică cadrul și modul de dezvoltare al [[fizica clasică|fizicii clasice]] ca pe o aproximare acceptabilă. Decoerența apare atunci când un sistem interacționează cu mediul său într-un mod [[ireversibilitate termodinamică|termodinamic ireversibil]]. Aceasta împiedică diferitele elemente din [[superpoziția cuantică]] a funcției de undă a sistemului plus a mediului să interfereze unele cu altele. Decoerența a fost subiectul cercetării active în ultimele două decade.<ref name="Schlosshauer">[http://arxiv.org/abs/quant-ph/0312059 Decoerența, problema măsurării și interpretările mecanicii cuantice] de la [[arXiv]]</ref>

Decoerența poate fi văzută ca o pierdere de informație dintr-un sistem către mediul său (deseori modelat ca și o [[baie de căldură]]).<ref name="Bacon">[http://arxiv.org/abs/quant-ph/0305025 Decoerență, control și simmetrie în computerele cuantice] de la [[arXiv]]</ref> Privit izolat, dinamica sistemului este ne-[[operator unar|unitară]] (cu toate că sistemul combinat cu mediul evoluează într-un mod unitar).<ref name="Lidar and Whaley">[http://arxiv.org/abs/quant-ph/0301032 Decoerență-subspații libere și subsisteme] de la [[arXiv]]</ref> Astfel [[dinamică|dinamica]] sistemului singur, tratat izolat de mediul său, este [[Ireversibilitate|ireversibilă]]. Precum oricare altă cuplare, [[legătură cuantică|legătura cuantică]] este generată între sistem și mediu. 

O [[stare cuantică]] este o [[superpoziția cuantică|superpoziție]] a altor stări cuantice, de exemplu, stările spinului unui electron. În [[interpretarea Copenhaga]], superpoziția stărilor a fost descrisă de [[funcția de undă]] și [[colapsul funcției de undă]] a primit numele de '''decoerență'''.
Azi, decoerența studiază corelațiile cuantice dintre stările unui sistem cuantic și mediul său. Dar sensul original a rămas, decoerența referindu-se la faptul că stările cuantice nu produc doar o singură realitate macroscopică.<ref name="Schlosshauer"/>

Decoerența nu generează ''propiu-zis'' [[colapsul funcției de undă]]. Doar furnizează o explicație pentru acest ''aparent'' colaps. Natura cuantică a sistemului pur și simplu "se scurge" în mediul din jur. O superpoziție totală a funcției de undă universale este posibilă, dar sensul său rămâne un țel pentru [[interpretările mecanicii cuantice]].

Decoerența reprezintă o problemă majoră în calea realizării practice a [[computerul cuantic|calculatoarelor cuantice]], de vreme ce acestea se bazează din greu pe evoluția neperturbată a stărilor cuantice coerente.

==Mecanism==
Decoerența nu este un concept teoretic nou, ci un set de noi perspective prin care mediul înconjurător nu mai este ignorat în modelarea sistemelor. Pentru a explica cum operează decoerența, este prezentat un model "intuitiv".  Înțelegerea modelului necesită [[Introducere în mecanica cuantică|cunoștințe de bază]] asupra teoriei cuantice.  Se efectuează analogii de vizualizare între [[spațiu de fază|spațiul de fază]] și [[spațiu Hilbert|spațiul Hilbert]].  O derivare mai riguroasă în cadrul [[notația Dirac|notației Dirac]] arată cum decoerența distruge efectele de interferență și "natura cuantică" a sistemelor. Apoi, este prezentat modelul [[matricea densităților|matricei densităților]] pentru o mai bună înțelegere.

===Modelul spațiului de fază===

Un sistem de ''N'' particule poate fi reprezentat în mecanica cuantică ne-relativistă de către o [[funcția de undă|funcție de undă]], <math>\psi(x_1, x_2, ...,x_N)</math>.  Asta se aseamănă cu clasicul [[spațiu de fază]]. Un spațiu de fază clasic conține o funcție cu valori reale în 6N dimensiuni (fiecare particulă contribuind cu 3 coordonate spațiale și 3 momente). Spațiul de fază "cuantic" al nostru în schimb conține o funcție cu valori complexe într-un spațiu 3''N'' dimensional. Poziția și momentul nu comută însă totuși moștenesc mare parte din structura matematică a unui [[spațiu Hilbert]]. În afara acestei diferențe, analogia este corectă.

Sisteme distincte, ce nu interacționează, izolate anterior, ocupă spații fazice diferite. Altfel exprimat, putem spune că aceste sisteme ocupă subspații diferite în spațiul de fază al sistemului combinat. Numărul de dimensiuni ''efective'' al spațiului de fază al sistemului este numărul [[grad de libertate|gradelor de libertate]] existente care—în modelele ne-relativiste—este de 6 ori numărul particulelor ''libere'' al sistemului. Pentru un sistem [[macroscopic]] aceasta înseamnă o dimensionalitate foarte mare. Când două sisteme (și mediul ambiant poate fi considerat un sistem) încep să interacționeze, totuși, vectorul de stare asociat nu mai este obligat să aparțină unuia dintre cele două subspații. În schimb, vectorul de stare combinat evoluează dealungul timpului într-un "volum mai mare", al cărui dimensionalitate este suma dimensiunilor celor două subspații. Un pătrat (o suprafață bidimensională) extinsă cu o dimensiune (o linie) formează un cub. Cubul are un volum mai mare, într-un anumit sens, decât componentele sale: pătratul și linia. Interacțiunea dintre cei doi vectori de extindere este o măsură a "cât de apropiați" sunt unul de altul (formal, o măsură a "distanței" dintre ei sau al produslui scalar din spațiul lor Hilbert) în spațiul fazic. Când un sistem se cuplează la un mediu extern, dimensionalitatea și implicit "volumul" disponibil, adică vectorul de stare combinat cresc enorm. Fiecare [[grad de libertate]] al mediului contribuie cu o extra-dimensiune.  

Funcția de undă originală a sistemului poate fi extinsă în mod arbitrar ca o sumă de elemente într-o superpoziție cuantică. Fiecare extindere corespunde unei proiecții a vectorului undei într-o nouă direcție. Direcțiile pot fi alese aleator. Avem deci libertatea să alegem acele extinderi în care elementele rezultante interacționează cu mediul într-o manieră specifică elementului. Asemenea elemente vor fi—cu o probabilitate copleșitoare—rapid separate unele de altele de evoluția lor temporală distinctă. După o foarte scurtă interacțiune, nu mai există practic nici o șansă pentru o interacțiune viitoare. Procesul este efectiv [[ireversibilitate termodinamică|ireversibil]]. Elementele diferite devin efectiv "pierdute" unele față de altele în spațiul de fază extins creat prin cuplarea cu mediul. Elementele originale se spune că au devenit ''decoerente''. Mediul practic a selectat acele exensii sau descompuneri a vectorului de stare original care duce la pierderea coerenței de fază între elementele sale. Aceasta poartă și numele de "superselecția indusă de mediu", sau [[einselecție]].<ref name="zurek03">[[Wojciech H. Zurek]], Decoherence, [http://en.wikipedia.org/wiki/Einselection einselection], and the quantum origins of the classical, ''Reviews of Modern Physics'' 2003, 75, 715 sau vezi [http://arxiv.org/abs/quant-ph/0105127 Articolul ArXiv]</ref> Elementele sistemului supuse decoerenței nu mai manifestă caracteristici precum interferență cuantică unele față de altele, așa cum se întâmplă în [[experimentul celor două fante]]. Orice elemente care suferă o decoerență unele față de altele prin intermediul unei interacțiuni cu mediul se spune că sunt [[legătură cuantică|legate cuantic]] cu mediul. Inversul nu este adevărat: nu toate stările legate cuantic au trecut printr-un proces de decorență una față de alta.

Orice dispozitiv de măsură sau aparat acționează ca un mediu, de vreme ce, la un anumit moment dealungul procesului de măsurare, efectul său trebuie să fie suficient de mare pentru a fi observat de oameni. El trebuie să posede un foarte mare număr de grade de libertate ascunse. Ca efect, interacțiunile pot fi considerate ca fiind [[Măsurarea în mecanica cuantică|măsurări cuantice]]. Ca rezultat al unei interacțiuni, funcția de undă a sistemului și aparatul de măsură devin legate cuantic unul de celălalt. Decoerența are loc când porțiuni diferite ale funcției de undă a sistemului devin legate cuantic în moduri diferite cu aparatul de măsură. Pentru ca două elemente eisenselectate ale stării sistemului legat cuantic să interfereze, atât sistemul original cât și măsurarea, în ambele elemente ale dispozitivului trebuie să se suprapună semnificativ, în sensul produsului lor scalar. Dacă aparatul de măsură are multe grade de libertate, este ''foarte'' puțin probabil ca acest lucru să se întâmple. 

Ca o consecință, sistemul se comportă mai degrabă ca un [[ansamblu statistic]] de elemente diferite decât ca o [[superpiziție cuantică]] coerentă a lor. Din perspectiva fiecărei componente a aparatului de măsură, sistemul pare să fi suferit un colaps ireversibil al funcției de undă într-o stare cu o valoare precisă a atributelor măsurate, relativ la fiecare componentă în parte.

==Note==
{{listănote|2}}

==Lectură suplimentară==
* {{citat carte
 | first = Maximilian | last = Schlosshauer
 | year = 2007
 | title = Decoherence and the Quantum-to-Classical Transition
 | edition = 1st edition
 | location = Berlin/Heidelberg
 | publisher = Springer
 }}
* {{citat carte
 | first = E. | last = Joos
 | coauthors = et al.
 | year = 2003
 | title = Decoherence and the Appearance of a Classical World in Quantum Theory
 | edition = 2nd edition
 | location = Berlin
 | publisher = Springer
 }}
* {{citat carte
 | first = R. | last = Omnes
 | year = 1999
 | title = Understanding Quantum Mechanics
 | location = Princeton
 | publisher = Princeton University Press
 }}
* [[Wojciech H. Zurek|Zurek, Wojciech H.]] (2003). "Decoherence and the transition from quantum to classical — REVISITED", {{arxiv|archive=quant-ph|id=0306072}} (An updated version of PHYSICS TODAY, 44:36–44 (1991) article)
* {{cite journal
 | first = Maximilian | last = Schlosshauer
 | date = [[23 February]] [[2005]]
 | title = "Decoherence, the Measurement Problem, and Interpretations of Quantum Mechanics"
 | journal = Reviews of Modern Physics
 | volume=76(2004)| pages = 1267–1305 
 | id= {{arxiv|archive=quant-ph|id=0312059}}
 | doi = 10.1103/RevModPhys.76.1267
 }}
* J.J. Halliwell, J. Perez-Mercader, [[Wojciech H. Zurek]], eds, ''The Physical Origins of Time Asymmetry'', Part 3: Decoherence, ISBN 0-521-56837-4
*[[Berthold-Georg Englert]], [[Marlan O. Scully]] & [[Herbert Walther]], ''Quantum Optical Tests of Complementarity'' , Nature, Vol 351, pp 111–116 (9 May 1991) and (same authors) ''The Duality in Matter and Light'' Scientific American, pg 56–61, (December 1994).  Demonstrates that [[Complementarity (physics)|complementarity]] is enforced, and [[Interference|quantum interference]] effects destroyed, by [[Irreversibility|irreversible]] [[Measurement in quantum mechanics|object-apparatus correlations]], and not, as was previously popularly believed, by Heisenberg's [[uncertainty principle]] itself.
* Mario Castagnino, Sebastian Fortin, Roberto Laura and Olimpia Lombardi, ''A general theoretical framework for decoherence in open and closed systems'', Classical and Quantum Gravity, 25, pp.154002-154013, (2008). A general theoretical framework for decoherence is proposed, which encompasses formalisms originally devised to deal just with open or closed systems.

==Legături externe==
* [http://www.ipod.org.uk/reality/reality_decoherence.asp A very lucid description of decoherence] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20090421062300/http://www.ipod.org.uk/reality/reality_decoherence.asp |date=2009-04-21 }} from www.ipod.org.uk/reality
* http://www.decoherence.info {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20180430160512/http://www.decoherence.info/ |date=2018-04-30 }}
* http://plato.stanford.edu/entries/qm-decoherence/
* [http://arxiv.org/abs/quant-ph/0312059 Decoherence, the measurement problem, and interpretations of quantum mechanics] from [[arXiv]]
* [http://arxiv.org/abs/quant-ph/0505070 Measurements and Decoherence] from [[arXiv]]
* [http://www.physics.drexel.edu/~tim/Decoherence A Detailed introduction] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20160417053506/http://www.physics.drexel.edu/~tim/Decoherence/ |date=2016-04-17 }} from a graduate student's website at [[Drexel University]] 
* [http://www.sciam.com/article.cfm?chanID=sa004&articleID=000D4372-A8A9-1330-A54583414B7F0000  Quantum Bug : Qubits might spontaneously decay in seconds] Scientific American Magazine (October 2005)

{{Control de autoritate}}
[[Categorie:Mecanică cuantică]]