Decoherencia cuántica


La decoherencia cuántica es la pérdida de coherencia cuántica . En mecánica cuántica , las partículas como los electrones se describen mediante una función de onda , una representación matemática del estado cuántico de un sistema; Se utiliza una interpretación probabilística de la función de onda para explicar varios efectos cuánticos. Mientras exista una relación de fase definida entre diferentes estados, se dice que el sistema es coherente. Es necesaria una relación de fase definida para realizar la computación cuántica en información cuántica codificada en estados cuánticos. La coherencia se conserva bajo las leyes de la física cuántica.

En la dispersión clásica de un cuerpo objetivo por fotones ambientales, el movimiento del cuerpo objetivo no se verá alterado por los fotones dispersos en promedio. En la dispersión cuántica, la interacción entre los fotones dispersos y el cuerpo objetivo superpuesto hará que se entrelacen, deslocalizando así la coherencia de fase del cuerpo objetivo al sistema completo, haciendo que el patrón de interferencia sea inobservable.

Si un sistema cuántico estuviera perfectamente aislado, mantendría la coherencia indefinidamente, pero sería imposible manipularlo o investigarlo. Si no está perfectamente aislado, por ejemplo durante una medición, la coherencia se comparte con el entorno y parece que se pierde con el tiempo; un proceso llamado decoherencia cuántica. Como resultado de este proceso, el comportamiento cuántico aparentemente se pierde, al igual que la energía parece perderse por fricción en la mecánica clásica.

La decoherencia fue introducida por primera vez en 1970 por el físico alemán H. Dieter Zeh [1] y ha sido un tema de investigación activa desde la década de 1980. [2] La decoherencia se ha desarrollado en un marco completo, pero existe controversia sobre si resuelve el problema de la medición , como admiten los fundadores de la teoría de la decoherencia en sus artículos seminales. [3]

La decoherencia se puede ver como la pérdida de información de un sistema al medio ambiente (a menudo modelado como un baño de calor ), [4] ya que cada sistema está vagamente acoplado con el estado energético de su entorno. Visto de forma aislada, la dinámica del sistema no es unitaria (aunque el sistema combinado más el entorno evoluciona de forma unitaria). [5] Por lo tanto, la dinámica del sistema por sí sola es irreversible . Como ocurre con cualquier acoplamiento, se generan enredos entre el sistema y el entorno. Éstos tienen el efecto de compartir información cuántica con, o transferirla, al entorno.

La decoherencia se ha utilizado para comprender la posibilidad del colapso de la función de onda en la mecánica cuántica. La decoherencia no genera un colapso real de la función de onda. Sólo proporciona un marco para el aparente colapso de la función de onda, ya que la naturaleza cuántica del sistema se "filtra" al medio ambiente. Es decir, los componentes de la función de onda se desacoplan de un sistema coherente y adquieren fases de su entorno inmediato. Todavía existe una superposición total de la función de onda global o universal (y sigue siendo coherente a nivel global), pero su destino final sigue siendo una cuestión de interpretación . Con respecto al problema de la medición , la decoherencia proporciona una explicación para la transición del sistema a una mezcla de estados que parecen corresponder a los estados que perciben los observadores. Además, nuestra observación nos dice que esta mezcla parece un conjunto cuántico adecuado en una situación de medición, ya que observamos que las mediciones conducen a la "realización" de precisamente un estado en el "conjunto".

La decoherencia representa un desafío para la realización práctica de las computadoras cuánticas , ya que se espera que dichas máquinas dependan en gran medida de la evolución inalterada de las coherencias cuánticas. En pocas palabras, requieren que se preserve la coherencia de los estados y que se gestione la decoherencia, para poder realizar realmente el cálculo cuántico. La preservación de la coherencia y la mitigación de los efectos de la decoherencia están, por tanto, relacionadas con el concepto de corrección de errores cuánticos .

Para examinar cómo opera la decoherencia, se presenta un modelo "intuitivo". El modelo requiere cierta familiaridad con los conceptos básicos de la teoría cuántica. Se hacen analogías entre los espacios de fase clásicos visualizables y los espacios de Hilbert . Una derivación más rigurosa en la notación de Dirac muestra cómo la decoherencia destruye los efectos de interferencia y la "naturaleza cuántica" de los sistemas. A continuación, se presenta en perspectiva el enfoque de la matriz de densidad .

Superposición cuántica de estados y medición de decoherencia a través de oscilaciones Rabi

Imagen de espacio de fase

Un sistema de N- partículas se puede representar en la mecánica cuántica no relativista mediante una función de onda , donde cada x i es un punto en el espacio tridimensional. Esto tiene analogías con el espacio de fase clásico . Un espacio de fase clásico contiene una función de valor real en 6 N dimensiones (cada partícula aporta 3 coordenadas espaciales y 3 momentos). Nuestro espacio de fase "quantum", por otro lado, implica una función de valor complejo en un 3 N espacio -dimensional. La posición y los momentos están representados por operadores que no se desplazan yvive en la estructura matemática de un espacio de Hilbert . Aparte de estas diferencias, sin embargo, se mantiene la analogía aproximada.

Diferentes sistemas previamente aislados que no interactúan ocupan diferentes espacios de fase. Alternativamente, podemos decir que ocupan diferentes subespacios de dimensiones inferiores en el espacio de fase del sistema conjunto. La dimensionalidad efectiva del espacio de fase de un sistema es el número de grados de libertad presentes, que, en modelos no relativistas, es 6 veces el número de partículas libres de un sistema . Para un sistema macroscópico , esta será una dimensionalidad muy grande. Sin embargo, cuando dos sistemas (y el entorno sería un sistema) comienzan a interactuar, sus vectores de estado asociados ya no están restringidos a los subespacios. En cambio, el vector de estado combinado evoluciona en el tiempo en un camino a través del "volumen mayor", cuya dimensionalidad es la suma de las dimensiones de los dos subespacios. La medida en que dos vectores interfieren entre sí es una medida de qué tan "cerca" están entre sí (formalmente, su superposición o el espacio de Hilbert se multiplica) en el espacio de fase. Cuando un sistema se acopla a un entorno externo, la dimensionalidad y, por tanto, el "volumen" disponible para el vector de estado de la articulación aumenta enormemente. Cada grado de libertad ambiental aporta una dimensión adicional.

La función de onda del sistema original se puede expandir de muchas formas diferentes como una suma de elementos en una superposición cuántica. Cada expansión corresponde a una proyección del vector de onda sobre una base. La base se puede elegir a voluntad. Elijamos una expansión donde los elementos de base resultantes interactúan con el entorno de una manera específica del elemento. Dichos elementos —con una probabilidad abrumadora— se separarán rápidamente unos de otros por su evolución temporal unitaria natural a lo largo de sus propios caminos independientes. Después de una interacción muy breve, casi no hay posibilidad de que se produzcan más interferencias. El proceso es efectivamente irreversible . Los diferentes elementos efectivamente se "pierden" unos de otros en el espacio de fase expandido creado al acoplarse con el entorno; en el espacio de fase, este desacoplamiento se supervisa a través de la distribución de cuasi-probabilidad de Wigner . Se dice que los elementos originales se han decodificado . El entorno ha seleccionado de forma eficaz aquellas expansiones o descomposiciones del vector de estado original que se descodifican (o pierden coherencia de fase) entre sí. Esto se denomina "superselección inducida por el medio ambiente" o einselección . [6] Los elementos decodificados del sistema ya no exhiben interferencia cuántica entre sí, como en un experimento de doble rendija . Se dice que cualquier elemento que se descoherencia entre sí a través de interacciones ambientales está entrelazado cuánticamente con el medio ambiente. Lo contrario no es cierto: no todos los estados entrelazados se decodifican entre sí.

Cualquier dispositivo o aparato de medición actúa como un entorno, ya que en alguna etapa a lo largo de la cadena de medición, debe ser lo suficientemente grande para ser leído por humanos. Debe poseer una gran cantidad de grados de libertad ocultos. En efecto, las interacciones pueden considerarse medidas cuánticas . Como resultado de una interacción, las funciones de onda del sistema y el dispositivo de medición se entrelazan entre sí. La decoherencia ocurre cuando diferentes partes de la función de onda del sistema se entrelazan de diferentes maneras con el dispositivo de medición. Para que interfieran dos elementos seleccionados en el estado del sistema entrelazado, tanto el sistema original como el dispositivo de medición en ambos elementos deben superponerse significativamente, en el sentido del producto escalar. Si el dispositivo de medición tiene muchos grados de libertad, es muy poco probable que esto suceda.

Como consecuencia, el sistema se comporta como un conjunto estadístico clásico de los diferentes elementos más que como una sola superposición cuántica coherente de ellos. Desde la perspectiva del dispositivo de medición de cada miembro del conjunto, el sistema parece haberse colapsado irreversiblemente en un estado con un valor preciso para los atributos medidos, en relación con ese elemento. Y esto siempre que uno explique cómo los coeficientes de la regla de Born actúan efectivamente como probabilidades según el postulado de medición, constituye una solución al problema de medición cuántica.

Notación de Dirac

Usando la notación de Dirac , deje que el sistema esté inicialmente en el estado

donde el s forman una base einseleccionada ( base propia seleccionada inducida por el medio ambiente [6] ), y dejan que el medio ambiente esté inicialmente en el estado. La base vectorial de la combinación del sistema y el entorno consiste en los productos tensoriales de los vectores base de los dos subsistemas. Por lo tanto, antes de cualquier interacción entre los dos subsistemas, el estado conjunto se puede escribir como

dónde es la abreviatura del producto tensorial . Hay dos extremos en la forma en que el sistema puede interactuar con su entorno: o (1) el sistema pierde su identidad distintiva y se fusiona con el entorno (por ejemplo, los fotones en una cavidad oscura y fría se convierten en excitaciones moleculares dentro de las paredes de la cavidad), o (2) el sistema no se perturba en absoluto, aunque el entorno esté perturbado (por ejemplo, la medición idealizada no perturbadora). En general, una interacción es una mezcla de estos dos extremos que examinamos.

Sistema absorbido por el medio ambiente

Si el ambiente absorbe el sistema, cada elemento de la base del sistema total interactúa con el ambiente de tal manera que

evoluciona en

y entonces

evoluciona en

La unitaridad de la evolución temporal exige que la base del estado total siga siendo ortonormal , es decir, los productos escalares o internos de los vectores base deben desaparecer, ya que:

Esta ortonormalidad de los estados ambientales es la característica definitoria requerida para una einselección . [6]

Sistema no perturbado por el medio ambiente

En una medición idealizada, el sistema perturba el medio ambiente, pero él mismo no es perturbado por el medio ambiente. En este caso, cada elemento de la base interactúa con el entorno de manera que

evoluciona en el producto

y entonces

evoluciona en

En este caso, la unitaridad exige que

dónde se utilizó. Además , la decoherencia requiere, en virtud del gran número de grados de libertad ocultos en el entorno, que

Como antes, esta es la característica definitoria para que la decoherencia se convierta en einselección . [6] La aproximación se vuelve más exacta a medida que aumenta el número de grados de libertad ambientales afectados.

Tenga en cuenta que si la base del sistema no fueron una base einseleccionada, entonces la última condición es trivial, ya que el ambiente perturbado no es una función de , y tenemos la base del entorno perturbado trivial . Esto correspondería a que la base del sistema sea degenerada con respecto a la medición observable definida ambientalmente. Para una interacción ambiental compleja (que se esperaría para una interacción típica a macroescala), sería difícil definir una base no seleccionada.

Pérdida de interferencia y transición de probabilidades cuánticas a clásicas

La utilidad de la decoherencia radica en su aplicación al análisis de probabilidades, antes y después de la interacción ambiental, y en particular a la desaparición de los términos de interferencia cuántica después de que se ha producido la decoherencia. Si preguntamos cuál es la probabilidad de observar que el sistema hace una transición de a antes de ha interactuado con su entorno, entonces la aplicación de la regla de probabilidad de Born establece que la probabilidad de transición es el módulo al cuadrado del producto escalar de los dos estados:

dónde , , y etc.

La expansión anterior de la probabilidad de transición tiene términos que involucran ; se puede pensar que estos representan la interferencia entre los diferentes elementos básicos o alternativas cuánticas. Este es un efecto puramente cuántico y representa la no aditividad de las probabilidades de las alternativas cuánticas.

Para calcular la probabilidad de observar el sistema dando un salto cuántico desde a después ha interactuado con su entorno, entonces la aplicación de la regla de probabilidad de Born establece que debemos sumar todos los estados posibles relevantesdel entorno antes de elevar al cuadrado el módulo:

La suma interna desaparece cuando aplicamos la condición de decoherencia / einselección, y la fórmula se simplifica a

Si comparamos esto con la fórmula que obtuvimos antes de que el entorno introdujera la decoherencia, podemos ver que el efecto de la decoherencia ha sido mover el signo de suma desde el interior del signo del módulo hacia el exterior. Como resultado, todas las cruzadas o de interferencia cuántica -términos

han desaparecido del cálculo de la probabilidad de transición. La decoherencia ha convertido irreversiblemente el comportamiento cuántico ( amplitudes de probabilidad aditivas ) en comportamiento clásico (probabilidades aditivas). [6] [7] [8]

En términos de matrices de densidad, la pérdida de efectos de interferencia corresponde a la diagonalización de la matriz de densidad "rastreada ambientalmente" . [6]

Enfoque de matriz de densidad

El efecto de la decoherencia en las matrices de densidad es esencialmente la desintegración o desaparición rápida de los elementos fuera de la diagonal de la traza parcial de la matriz de densidad del sistema conjunto , es decir, la traza , con respecto a cualquier base ambiental, de la matriz de densidad del sistema combinado y su entorno. La decoherencia convierte irreversiblemente la matriz de densidad "promediada" o "rastreada ambientalmente" [6] de un estado puro a una mezcla reducida; es esto lo que da la apariencia de colapso de la función de onda . De nuevo, esto se denomina "superselección inducida por el medio ambiente" o einselección . [6] La ventaja de tomar la traza parcial es que este procedimiento es indiferente a la base ambiental elegida.

Inicialmente, la matriz de densidad del sistema combinado se puede denotar como

dónde es el estado del medio ambiente. Luego, si la transición ocurre antes de que tenga lugar cualquier interacción entre el sistema y el entorno, el subsistema de entorno no tiene parte y se puede rastrear , dejando la matriz de densidad reducida para el sistema:

Ahora la probabilidad de transición se dará como

dónde , , y etc.

Ahora el caso en el que la transición tiene lugar después de la interacción del sistema con el medio ambiente. La matriz de densidad combinada será

Para obtener la matriz de densidad reducida del sistema, trazamos el entorno y empleamos la condición de decoherencia / einselección y vemos que los términos fuera de la diagonal se desvanecen (un resultado obtenido por Erich Joos y HD Zeh en 1985): [9]

De manera similar, la matriz de densidad reducida final después de la transición será

La probabilidad de transición se dará entonces como

que no tiene contribución de los términos de interferencia

El enfoque de matriz de densidad se ha combinado con el enfoque de Bohmian para producir un enfoque de trayectoria reducida , teniendo en cuenta la matriz de densidad reducida del sistema y la influencia del medio ambiente. [10]

Representación de suma de operadores

Considere un sistema S y un entorno (baño) B , que están cerrados y pueden tratarse de forma cuántica. Dejar y ser los espacios de Hilbert del sistema y del baño, respectivamente. Entonces el hamiltoniano para el sistema combinado es

dónde son el sistema y bath hamiltonianos respectivamente, es la interacción hamiltoniana entre el sistema y el baño, y son los operadores de identidad en el sistema y los espacios de baño de Hilbert, respectivamente. La evolución temporal del operador de densidad de este sistema cerrado es unitaria y, como tal, viene dada por

donde está el operador unitario . Si el sistema y el baño no están entrelazados inicialmente, podemos escribir. Por tanto, la evolución del sistema se convierte en

La interacción hamiltoniana sistema-baño se puede escribir en forma general como

dónde es el operador que actúa sobre el espacio combinado del sistema-baño de Hilbert, y son los operadores que actúan sobre el sistema y el baño respectivamente. Este acoplamiento del sistema y el baño es la causa de la decoherencia solo en el sistema. Para ver esto, se realiza un rastreo parcial sobre el baño para dar una descripción del sistema solo:

se denomina matriz de densidad reducida y solo proporciona información sobre el sistema. Si el baño se escribe en términos de su conjunto de kets de base ortogonal, es decir, si se ha diagonalizado inicialmente, entonces. Calcular la traza parcial con respecto a esta base (computacional) da

dónde se definen como los operadores de Kraus y se representan como (el índice combina índices y ):

Esto se conoce como representación de suma de operadores (OSR). Se puede obtener una condición sobre los operadores de Kraus utilizando el hecho de que; esto entonces da

Esta restricción determina si se producirá decoherencia o no en el OSR. En particular, cuando hay más de un término presente en la suma de, entonces la dinámica del sistema será no unitaria y, por tanto, se producirá la decoherencia.

Enfoque de semigrupo

Una consideración más general para la existencia de decoherencia en un sistema cuántico viene dada por la ecuación maestra , que determina cómo la matriz de densidad del sistema solo evoluciona en el tiempo (ver también la ecuación de Belavkin [11] [12] [13] para la evolución bajo medición continua). Utiliza la imagen de Schrödinger , donde se considera la evolución del estado (representado por su matriz de densidad). La ecuación maestra es

dónde es el sistema hamiltoniano junto con una (posible) contribución unitaria del baño, y es el término de descodificación de Lindblad . [5] El término de descodificación de Lindblad se representa como

La son operadores base para el espacio M -dimensional de operadores acotados que actúan sobre el sistema Espacio de Hilberty son los generadores de errores . [14] Los elementos de la matrizrepresentar los elementos de un semi-definida positiva matriz hermitiana ; caracterizan los procesos de decodificación y, como tales, se denominan parámetros de ruido . [14] El enfoque de semigrupo es particularmente bueno, porque distingue entre los procesos unitario y de decodificación (no unitario), lo que no es el caso del OSR. En particular, las dinámicas no unitarias están representadas por, mientras que la dinámica unitaria del estado está representada por el conmutador habitual de Heisenberg . Tenga en cuenta que cuando, la evolución dinámica del sistema es unitaria. Las condiciones para la evolución de la matriz de densidad del sistema a ser descrita por la ecuación maestra son: [5]

  1. la evolución de la matriz de densidad del sistema está determinada por un semigrupo de un parámetro ,
  2. la evolución es "completamente positiva" (es decir, se conservan las probabilidades),
  3. el sistema y las matrices de densidad del baño están inicialmente desacoplados.

La decoherencia puede modelarse como un proceso no unitario mediante el cual un sistema se acopla con su entorno (aunque el sistema combinado más el entorno evoluciona de forma unitaria). [5] Así, la dinámica del sistema por sí sola, tratada de forma aislada, no es unitaria y, como tal, está representada por transformaciones irreversibles que actúan sobre el espacio de Hilbert del sistema. . Dado que la dinámica del sistema está representada por representaciones irreversibles, cualquier información presente en el sistema cuántico puede perderse en el medio ambiente o en el baño de calor . Alternativamente, la desintegración de la información cuántica causada por el acoplamiento del sistema al medio ambiente se denomina decoherencia. [4] Así, la decoherencia es el proceso por el cual la información de un sistema cuántico es alterada por la interacción del sistema con su entorno (que forma un sistema cerrado), creando así un entrelazamiento entre el sistema y el baño de calor (entorno). Como tal, dado que el sistema está enredado con su entorno de alguna manera desconocida, no se puede hacer una descripción del sistema en sí mismo sin hacer referencia también al entorno (es decir, sin describir también el estado del entorno).

Decoherencia rotacional

Considere un sistema de N qubits acoplado simétricamente a un baño. Suponga que este sistema de N qubits experimenta una rotación alrededor de la estados propios de . Luego, bajo tal rotación, una fase aleatoria se creará entre los estados propios , de . Por lo tanto, estos qubits de base y se transformará de la siguiente manera:

Esta transformación la realiza el operador de rotación.

Dado que cualquier qubit en este espacio se puede expresar en términos de qubits base, todos esos qubits se transformarán bajo esta rotación. Considere un qubit en estado puro. Este estado se descodificará, ya que no está "codificado" con el factor de desfase.. Esto puede verse examinando la matriz de densidad promediada sobre todos los valores de:

dónde es una densidad de probabilidad . Sise da como una distribución gaussiana

entonces la matriz de densidad es

Dado que los elementos fuera de la diagonal, los términos de coherencia, decaen para aumentar , entonces las matrices de densidad para los diversos qubits del sistema serán indistinguibles. Esto significa que ninguna medición puede distinguir entre los qubits, creando así decoherencia entre los distintos estados de los qubits. En particular, este proceso de eliminación de fases hace que los qubits colapsen en eleje. Es por eso que este tipo de proceso de decoherencia se denomina desfase colectivo , porque las fases mutuas entre todos los qubits del sistema N -qubit se destruyen.

Despolarizante

La despolarización es una transformación no unitaria en un sistema cuántico que asigna estados puros a estados mixtos. Este es un proceso no unitario, porque cualquier transformación que invierta este proceso mapeará estados fuera de su respectivo espacio de Hilbert, sin preservar así la positividad (es decir, las probabilidades originales se mapean en probabilidades negativas, lo cual no está permitido). El caso bidimensional de tal transformación consistiría en mapear estados puros en la superficie de la esfera de Bloch a estados mixtos dentro de la esfera de Bloch. Esto contraería la esfera de Bloch en una cantidad finita y el proceso inverso expandiría la esfera de Bloch, lo que no puede suceder.

Disipación

La disipación es un proceso de decoherización mediante el cual las poblaciones de estados cuánticos cambian debido al entrelazamiento con un baño. Un ejemplo de esto sería un sistema cuántico que puede intercambiar su energía con un baño a través de la interacción hamiltoniana . Si el sistema no está en su estado fundamental y el baño está a una temperatura más baja que la del sistema, entonces el sistema emitirá energía al baño y, por lo tanto, los estados propios de mayor energía del sistema hamiltoniano se decorarán al estado fundamental. después del enfriamiento y, como tal, todos serán no degenerados . Dado que los estados ya no están degenerados, no se pueden distinguir y, por lo tanto, este proceso es irreversible (no unitario).

La decoherencia representa un proceso extremadamente rápido para los objetos macroscópicos, ya que estos interactúan con muchos objetos microscópicos, con una enorme cantidad de grados de libertad, en su entorno natural. El proceso es necesario si queremos entender por qué tendemos a no observar el comportamiento cuántico en los objetos macroscópicos cotidianos y por qué vemos que los campos clásicos emergen de las propiedades de la interacción entre la materia y la radiación para grandes cantidades de materia. El tiempo que tardan los componentes fuera de la diagonal de la matriz de densidad en desaparecer efectivamente se denomina tiempo de decoherencia . Por lo general, es extremadamente corto para los procesos diarios a macroescala. [6] [7] [8] Una definición moderna independiente de la base del tiempo de decoherencia se basa en el comportamiento a corto plazo de la fidelidad entre el estado inicial y el dependiente del tiempo [15] o, de manera equivalente, la desintegración de la pureza . [dieciséis]

Suponemos por el momento que el sistema en cuestión consiste en un subsistema A que se está estudiando y el "entorno", y el espacio total de Hilbert es el producto tensorial de un espacio de Hilbertdescribiendo A y un espacio de Hilbert describiendo , es decir,

Ésta es una aproximación razonablemente buena en el caso en que A yson relativamente independientes (por ejemplo, no hay nada como partes de A que se mezclan con partes deo viceversa). El punto es que la interacción con el medio ambiente es inevitable para todos los propósitos prácticos (por ejemplo, incluso un solo átomo excitado en el vacío emitiría un fotón, que luego se apagaría). Digamos que esta interacción se describe mediante una transformación unitaria U que actúa sobre. Suponga que el estado inicial del medio ambiente es, y el estado inicial de A es el estado de superposición

dónde y son ortogonales y no hay enredos inicialmente. Además, elija una base ortonormal por . (Esto podría ser una "base indexada continuamente" o una mezcla de índices continuos y discretos, en cuyo caso tendríamos que usar un espacio Hilbert manipulado y ser más cuidadosos con lo que entendemos por ortonormal, pero ese es un detalle no esencial para propósitos expositivos. .) Entonces, podemos expandir

y

únicamente como

y

respectivamente. Una cosa que hay que tener en cuenta es que el entorno contiene una gran cantidad de grados de libertad, una buena cantidad de ellos interactuando entre sí todo el tiempo. Esto hace que la siguiente suposición sea razonable a modo de agitación manual, que se puede demostrar que es cierta en algunos modelos simples de juguetes. Suponga que existe una base para tal que y son aproximadamente ortogonales en un buen grado si ij y lo mismo para y y tambien para y para cualquier i y j (la propiedad de decoherencia).

Esto convierte a menudo a ser cierto (como una conjetura razonable) en la base de posición, porque la forma A interactúa con el medio ambiente a menudo depende de manera crítica de la posición de los objetos en una . Entonces, si tomamos la traza parcial sobre el medio ambiente, encontraríamos que el estado de densidad [ aclaración necesaria ] se describe aproximadamente por

es decir, tenemos un estado mixto diagonal , no hay interferencia constructiva o destructiva, y las "probabilidades" se suman clásicamente. El tiempo que tarda U ( t ) (el operador unitario en función del tiempo) para mostrar la propiedad de decoherencia se denomina tiempo de decoherencia .

Medida cuantitativa

La tasa de decoherencia depende de varios factores, incluida la temperatura o la incertidumbre en la posición, y muchos experimentos han intentado medirla en función del entorno externo. [17]

El proceso de una superposición cuántica borrada gradualmente por la decoherencia fue medido cuantitativamente por primera vez por Serge Haroche y sus compañeros de trabajo en la École Normale Supérieure de París en 1996. [18] Su enfoque implicó el envío de átomos de rubidio individuales , cada uno en una superposición. de dos estados, a través de una cavidad llena de microondas. Los dos estados cuánticos causan cambios en la fase del campo de microondas, pero en cantidades diferentes, de modo que el campo en sí también se coloca en una superposición de dos estados. Debido a la dispersión de fotones en la imperfección del espejo de la cavidad, el campo de la cavidad pierde coherencia de fase con el entorno.

Haroche y sus colegas midieron la decoherencia resultante a través de correlaciones entre los estados de pares de átomos enviados a través de la cavidad con varios retrasos de tiempo entre los átomos.

Reducir la decoherencia ambiental

En julio de 2011, investigadores de la Universidad de Columbia Británica y la Universidad de California en Santa Bárbara pudieron reducir la tasa de decoherencia ambiental "a niveles muy por debajo del umbral necesario para el procesamiento de información cuántica" mediante la aplicación de campos magnéticos elevados en su experimento. [19] [20] [21]

En agosto de 2020, los científicos informaron que la radiación ionizante de los materiales radiactivos ambientales y los rayos cósmicos pueden limitar sustancialmente los tiempos de coherencia de los qubits si no están protegidos adecuadamente, lo que puede ser crítico para realizar computadoras cuánticas superconductoras tolerantes a fallas en el futuro. [22] [23] [24]

Anthony Leggett ha expresado críticas a la adecuación de la teoría de la decoherencia para resolver el problema de la medición : "Escucho a la gente murmurar la temida palabra" decoherencia ". Pero afirmo que esto es una pista falsa". [25] Con respecto a la relevancia experimental de la teoría de la decoherencia, Leggett ha declarado: "Tratemos ahora de evaluar el argumento de la decoherencia. En realidad, la táctica más económica en este punto sería ir directamente a los resultados de la siguiente sección, es decir, que ¡está refutado experimentalmente! Sin embargo, es interesante dedicar un momento a preguntar por qué era razonable anticipar esto antes de los experimentos reales. De hecho, el argumento contiene varias lagunas importantes ". [26]

Antes de que se desarrollara una comprensión de la decoherencia, la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica trataba el colapso de la función de onda como un proceso fundamental a priori . Decoherencia como un posible mecanismo explicativo para la aparición del colapso de la función de onda fue desarrollado por primera vez por David Bohm en 1952, que se aplica a Louis De Broglie 's -onda piloto teoría, la producción de la mecánica de Bohm , [27] [28] el primer éxito oculta- interpretación de variables de la mecánica cuántica. La decoherencia fue luego utilizada por Hugh Everett en 1957 para formar el núcleo de su interpretación de los muchos mundos . [29] Sin embargo, la decoherencia se ignoró en gran medida durante muchos años (con la excepción del trabajo de Zeh), [1] y no fue hasta la década de 1980 [30] [31] que las explicaciones basadas en decoherencia de la aparición del colapso de la función de onda se hicieron populares , con la mayor aceptación del uso de matrices de densidad reducida . [9] [7] La gama de interpretaciones decoherentes se ha ampliado posteriormente en torno a la idea, como historias coherentes . Algunas versiones de la interpretación de Copenhague se han modificado para incluir la decoherencia.

La decoherencia no pretende proporcionar un mecanismo para el colapso real de la función de onda; más bien, presenta un marco razonable para la aparición del colapso de la función de onda. La naturaleza cuántica del sistema simplemente se "filtra" al entorno, de modo que todavía existe una superposición total de la función de onda, pero existe, al menos para todos los propósitos prácticos [32] , más allá del ámbito de la medición. [33] Por supuesto, por definición, la afirmación de que todavía existe una función de onda fusionada pero no medible no puede probarse experimentalmente. La decoherencia es necesaria para comprender por qué un sistema cuántico comienza a obedecer las reglas de probabilidad clásicas después de interactuar con su entorno (debido a la supresión de los términos de interferencia al aplicar las reglas de probabilidad de Bohm al sistema).

  • Desfase
  • Fórmula SP de tasa de desfase
  • Einselección
  • Teoría de Ghirardi-Rimini-Weber
  • H. Dieter Zeh
  • Interpretaciones de la mecánica cuántica
  • Teoría del colapso objetivo
  • Traza parcial
  • Polarización de fotones
  • Coherencia cuántica
  • Darwinismo cuántico
  • Entrelazamiento cuántico
  • Superposición cuántica
  • Efecto Quantum Zeno

  1. ^ a b H. Dieter Zeh , "Sobre la interpretación de la medición en la teoría cuántica", Fundamentos de la física , vol. 1, págs. 69-76, (1970).
  2. ^ Schlosshauer, Maximilian (2005). "Decoherencia, el problema de la medición y las interpretaciones de la mecánica cuántica". Reseñas de Física Moderna . 76 (4): 1267-1305. arXiv : quant-ph / 0312059 . Código Bibliográfico : 2004RvMP ... 76.1267S . doi : 10.1103 / RevModPhys.76.1267 . S2CID  7295619 .
  3. Joos y Zeh (1985) afirman que `` por supuesto, ningún tratamiento unitario de la dependencia del tiempo puede explicar por qué solo se experimenta uno de estos componentes dinámicamente independientes ''. Y en una revisión reciente sobre decoherencia, Joos (1999) afirma: la decoherencia resuelve el problema de medición? Claramente no. Lo que la decoherencia nos dice es que ciertos objetos parecen clásicos cuando se observan. Pero, ¿qué es una observación? En algún momento todavía tenemos que aplicar las reglas de probabilidad habituales de la teoría cuántica ''. Adler, Stephen L. (2003). "Por qué la decoherencia no ha resuelto el problema de la medición: una respuesta a PW Anderson". Estudios de Historia y Filosofía de la Ciencia Parte B: Estudios de Historia y Filosofía de la Física Moderna . 34 (1): 135-142. arXiv : quant-ph / 0112095 . Código bibliográfico : 2003SHPMP..34..135A . doi : 10.1016 / S1355-2198 (02) 00086-2 . S2CID  21040195 .
  4. ^ a b Bacon, D. (2001). "Decoherencia, control y simetría en computadoras cuánticas". arXiv : quant-ph / 0305025 .
  5. ^ a b c d Lidar, Daniel A .; Whaley, K. Birgitta (2003). "Subespacios y subsistemas libres de decoherencia". En Benatti, F .; Floreanini, R. (eds.). Dinámica cuántica irreversible . Dinámica cuántica irreversible . Springer Lecture Notes in Physics. 622 . Berlina. págs. 83-120. arXiv : quant-ph / 0301032 . Código Bib : 2003LNP ... 622 ... 83L . doi : 10.1007 / 3-540-44874-8_5 . ISBN 978-3-540-40223-7. S2CID  117748831 .
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  • Una introducción detallada del sitio web de un estudiante graduado en la Universidad de Drexel
  • Error cuántico: los qubits podrían descomponerse espontáneamente en segundos Scientific American (octubre de 2005)
  • Decoherencia cuántica y el problema de la medición