декогеренция

# тег · @ автор · ! учёный

Декогеренция — процесс, в ходе которого квантовая система теряет свои интерференционные свойства и начинает вести себя согласно классической физике. Это происходит, потому что система неизбежно запутывается с бесчисленными частицами окружения. Информация о суперпозиции как бы 'размывается' в окружающей среде, и квантовые альтернативы становятся неразличимыми. Именно декогеренция разрешает знаменитый парадокс кота Шрёдингера: макроскопический объект не может долго находиться в суперпозиции жив-мёртв из-за быстрого разрушения когерентности.

История

Концепцию сформулировали в 1970–80-х годах Ху Дитер Це и Войцех Зурек, хотя истоки восходят к анализу измерения в квантовой механике Джона фон Неймана.

Как работает

Представьте чистую музыкальную ноту в безмолвном зале. Если запеть на оживлённой улице, голос смешается с шумом, и извлечь из него первоначальную ноту станет невозможно. Подобно этому, квантовая когерентность 'смазывается' из-за хаотического воздействия окружения.

💡 Декогеренция действует стремительно: для объекта размером с пылинку суперпозиция двух положений разрушается за времена порядка 10⁻³¹ секунды из-за взаимодействия с космическим фоном.

Квантовая декогеренция — необратимая потеря когерентности фаз между компонентами суперпозиции вследствие запутывания системы с окружением. Окружающая среда действует как непрерывный измерительный прибор, фиксируя систему в определённом базисе (эйнселекция). Математически описывается моделью Кальдейры-Леггетта или уравнением Линдблада для матрицы плотности. Недиагональные элементы матрицы плотности затухают экспоненциально, причём время декогеренции обратно пропорционально квадрату расстояния между состояниями и интенсивности взаимодействия. Хотя эволюция всей системы (объект + среда) остаётся унитарной, для подсистемы возникает эффективная потеря квантовости. Декогеренция лежит в основе квантово-классического перехода и современных интерпретаций квантовой механики.

История

Начало положено анализом квантового измерения фон Нейманом (1932). В 1970 году Ху Дитер Це в беседе с Эрихом Йоосом осознал роль окружения. Войцех Зурек в 1980–1990-х формализовал теорию, введя эйнселекцию и квантовый дарвинизм. Экспериментальные подтверждения получены в атомной интерферометрии и на сверхпроводящих кубитах. Дэвид Дойч подчеркнул важность декогеренции для квантовых вычислений.

Как работает

Начальная суперпозиция |ψ⟩ = α|0⟩ + β|1⟩ с окружающей средой в состоянии |E₀⟩ после взаимодействия эволюционирует в запутанное состояние: α|0⟩|E₀⟩ + β|1⟩|E₁⟩. Если состояния среды |E₀⟩ и |E₁⟩ ортогональны, интерференция пропадает, и редуцированная матрица плотности системы становится диагональной: ρ = |α|²|0⟩⟨0| + |β|²|1⟩⟨1|. Время декогеренции оценивается как t_D ~ 1/(γ d²), где γ — константа взаимодействия, d — разделение состояний. Борьба с декогеренцией — главная задача при создании квантовых компьютеров, решаемая с помощью кодов коррекции ошибок.

\frac{d\rho}{dt} = -\frac{i}{\hbar}[H,\rho] + \sum_k \left( L_k \rho L_k^\dagger - \frac{1}{2}\{L_k^\dagger L_k, \rho\} \right)

ρ — матрица плотности системы, H — гамильтониан, ℏ — редуцированная постоянная Планка (≈ 1.05×10⁻³⁴ Дж·с), L_k — операторы Линдблада (описывают декогеренцию и диссипацию), [·,·] — коммутатор, {·,·} — антикоммутатор

Открытые проблемы и интересные факты

Подавление декогеренции в кубитах для масштабируемых квантовых процессоров; Понимание границы квантового и классического миров при множественности наблюдателей; Наблюдение декогеренции у всё более макроскопических объектов

💡 В сверхпроводящих кубитах время когерентности достигает сотен микросекунд, что позволяет проводить тысячи квантовых операций до потери информации.

Пока нет статей

декогеренция

История

Как работает

История

Как работает

История

Как работает

Открытые проблемы и интересные факты

Статьи по теме