Decoerența cuantică

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

Teoria decoerenței cuantice sau desincronizarea funcției de undă afirmă că interacțiunea ireversibilă (în sens termodinamic ) dintre sistemele cuantice și mediul extern determină pierderea coerenței funcției de undă .

Acest fenomen ar împiedica observarea unei suprapuneri de stări pentru sistemele macroscopice, oferind o interpretare a prăbușirii funcției de undă care nu necesită interacțiunea dintre sistemul cuantic și aparatul de măsurare clasic postulat de Interpretarea de la Copenhaga a mecanicii cuantice .

Teorie

În fizică , particulele sunt de obicei descrise prin intermediul unei funcții de undă care evoluează în timp în conformitate cu ecuația Schrödinger . În special, principiul suprapunerii joacă un rol fundamental în explicarea tuturor fenomenelor de interferență observate. Cu toate acestea, acest comportament este în contrast cu mecanica clasică ; la nivel macroscopic nu este posibil să se observe o suprapunere de stări distincte. Un exemplu bine-cunoscut este oferit de paradoxul pisicii lui Schrödinger : o ființă vie nu poate fi atât vie, cât și moartă în același timp.

Apare atunci o întrebare: există o separare între regimul cuantic și regimul clasic? Interpretarea de la Copenhaga sugerează un răspuns contraintuitiv: doar efectuarea unei măsurători pe un sistem cuantic distruge suprapunerea, făcându-l „clasic”. Mecanismul responsabil de acest fenomen, introdus de Von Neumann , se numește colapsul funcției de undă.

Cu toate acestea, dacă există o graniță între cuantică și lumea clasică, nu este deloc clar unde ar trebui trasată și nici de ce există: prăbușirea funcției de undă este doar postulată, dar nu explicată. Aceste probleme sunt abordate de teoria decoerenței , a cărei idee de bază este următoarea: legile mecanicii cuantice, pornind de la ecuația Schrödinger, se aplică sistemelor „izolate”, în principiu și celor macroscopice. Atunci când un sistem cuantic nu este izolat din exterior, de exemplu în timpul unei măsurători, acesta se încurcă cu mediul (tratat și cuantistic); acest fapt conform teoriei are consecințe cruciale asupra menținerii coerenței.

În special, dacă sistemul este pregătit într-o suprapunere coerentă de stări, încurcarea cu mediul duce la pierderea coerenței între diferitele părți ale funcției de undă care corespund stărilor suprapuse. Sistemul are o tranziție spontană de la starea coerentă la starea decoerentă, în care nu se mai află într-o suprapunere de stări, ci într-un amestec statistic . Dezintegrarea exponențială a coerenței este reglementată de o durată medie de viață ( timp de decoerență ) caracteristică pentru acel sistem specific:

O singură cuantonă (foton, electron ...) imersată în mediu are un timp de decoerență foarte lung și, prin urmare, este de obicei într-o stare coerentă. Un sistem format din cuantonul are timp de decoerență dat de

Prin urmare, timpul de coerență al unui sistem compozit se scalează cu numărul a componentelor.

Conform teoriei decoerenței [1] , diferența dintre sistemele microscopice și cele macroscopice constă în faptul că, dacă primul poate fi bine izolat de exterior (adică coerența este ușor menținută pentru un timp suficient de "lung"), același lucru nu poate fi să spunem pentru acesta din urmă, pentru care, în schimb, trebuie să ținem cont inevitabil de interacțiunea cu mediul. În consecință, este practic imposibil să se observe suprapuneri de stări macroscopice distincte (ca în cazul pisicii lui Schrödinger) deoarece, chiar dacă ar fi în măsură să le pregătească (ceea ce este dificil în sine, dar nu interzis de teorie), ar avea o viață medie prea scurtă pentru a fi măsurată.experimental. Cu un număr de componente ale sistemului în ordinea numărului lui Avogadro, timpul de decoerență este în ordinea .

Prin urmare, decoerența cuantică ignoră observatorul și procesul de măsurare într-un anumit mod care îl precedă și simulând prăbușirea funcției de undă . În special, „colapsul” produce tranziția de la o stare coerentă la o stare incoerentă, în care termenii în afara diagonalei matricei de densitate sunt zero; decoerența provoacă în schimb o tranziție spontană de la o stare coerentă la o stare decoerentă , în care termenii în afara diagonalei matricei de densitate sunt asimptotic infinitesimali.

Exemplu numeric

Putem da cel puțin o idee despre ordinea de mărime a timpului de decoerență pentru un sistem macroscopic. Să luăm în considerare un pendul cu o lungime de 1 m și o masă de 1 g, care la momentul inițial se află la o distanță de 1 µm de punctul de echilibru. Să presupunem că pendulul se află într-o suprapunere de stări coerente , care corespund clasic mișcării în cele două direcții posibile. Fiind valoarea medie a poziției

calculul direct prevede

.

Se poate demonstra că pentru a distinge această suprapunere de amestecul statistic o rezoluție spațială în ordinea m (practic imposibil de obținut).

Chiar și presupunând că aveți o astfel de precizie, pentru a observa marginile de interferență, contrastul nu trebuie să fie prea mic. Acum presupunem că interacțiunea cu mediul duce la o amortizare exponențială a oscilațiilor cu un timp caracteristic foarte mare, de exemplu τ = 1 an. Arată că după un timp

contrastul s-a redus deja cu 10%.

În acest caz, timpul de decoerență este mai mic decât timpul de amortizare cu aproximativ 19 ordine de mărime.

Verificări experimentale

Verificarea experimentală a acestui fenomen este posibilă prin studierea sistemelor mezoscopice (uneori poreclite „pisoi Schrödinger” [2] ), adică formate din câteva cuantoane. Acum există mai multe observații experimentale care demonstrează modul în care o cuplare între un sistem cuantic și un sistem mezoscopic duce la decoerență într-un timp scurt, dar apreciat. [3]

Există mai multe grupuri de cercetare care s-au ocupat, și încă o fac, de teoria decoerenței la nivel experimental.

Linia de cercetare a atomilor prinși în cavități rezonante este urmărită la Universitatea din Paris . Un experiment important din punct de vedere istoric, care a constituit unul dintre primele teste ale teoriei, a fost realizat prin observarea decoerenței unui mic câmp coerent de fotoni cuplați la un atom Rydberg. [4]

O altă abordare, urmată de cercetătorii din Viena , se bazează pe interferometria moleculelor „mari”, cum ar fi fulerenele . [5]

O lucrare a cercetătorilor din Tübingen a arătat (și vizual) decoerența electronilor liberi cauzată de interacțiunea Coulomb cu mediul. [6]

Fizicienii Serge Haroche și David Wineland au primitPremiul Nobel pentru fizică în 2012 pentru contribuțiile lor la „măsurarea și manipularea sistemelor cuantice individuale”. [7]

Notă

  1. ^ W. Zurek: Decoherence and the transition of Quantum to Classical - Revisited , Los Alamos Science Number 27 (2002).
  2. ^ J. Gribbin: Pisoii lui Schrodinger și Căutarea realității: rezolvarea misterelor cuantice , Back Bay Books (1996).
  3. ^ M. Schlosshauer, Experimental observation of decoherence , în Compendium of Quantum Physics: Concepts, Experiments, History and Philosophy , editat de D. Greenberger, K. Hentschel și F. Weinert, pp. 223–229 (Springer: Berlin / Heidelberg, 2009)
  4. ^ (EN) Brune, Haroche, și colab., Observarea decoerenței progresive a "contorului" în măsurarea cuantică ( abstract ), în Phys. Rev. Lett. , Vol. 77, nr. 24, septembrie 1996, pp. 4887-4990.
  5. ^ (EN) Zeilinger și colab., Decoerență colizională Observată în interferometria undelor de materie , în Phys. Rev. Lett. , Vol. 90, martie 2003.
  6. ^ (EN) Sonnentag, Hasselbach, Măsurarea decoerenței undelor electronice și vizualizarea tranziției cuantice-clasice ( abstract ), în Phys. Rev. Lett. , Vol. 98, nr. 20 mai 2007.
  7. ^ (EN) Premiul Nobel pentru fizică 2012 - Comunicat de presă pe nobelprize.org. Accesat la 12 octombrie 2012 .

Bibliografie

  • Mario Castagnino, Sebastian Fortin, Roberto Laura și Olimpia Lombardi, Un cadru teoretic general pentru decoerență în sisteme deschise și închise , Gravitate clasică și cuantică, 25, pp. 154002-154013, (2008).

Elemente conexe

Cuantic Portal cuantic : Accesați intrările Wikipedia care se ocupă de cuantică