¿Cómo es compatible la decoherencia debida al entorno con la interpretación de Copenhague?

Question

Digamos que la "decoherencia" es esa transición de un estado cuántico puro a un estado mixto debido a las interacciones con el entorno. (¿Una definición razonable?)

¿Cómo es eso compatible con la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica, concretamente con el papel del observador?

Según la definición anterior, la observación es un ejemplo de decoherencia; el observador en la interpertación de Copemhagen forma parte del entorno y provoca el colapso de la función de onda. Sin embargo, la decoherencia también puede producirse mediante el acoplamiento (a menudo no deseado) del sistema cuántico a un baño de calor. ¿Significa eso que el baño de calor es un "observador"? Si no es así, ¿qué causa el aparente** colapso de la función de onda cuando no hay un observador humano?

Al haber trabajado con qubits superconductores de mala calidad, soy consciente de que pueden descohesionarse muy rápidamente y, aparentemente, sin observación humana. Por ejemplo, supongamos que inicializo un qubit en un estado puro. Si lo mido después de 10 ns, el qubit todavía parece estar en un estado puro. Si mido el qubit después de 1ms, parece que ha decaído a un estado mixto. (Podría determinarlo intentando realizar alguna operación cuántica en el qubit). Como no he medido ni interferido con el qubit en el tiempo intermedio, no parece que yo haya podido causar la decoherencia ("colapso").

** Estoy usando la palabra "aparente" para media "Aparecer al ojo o a la mente (distinguido de, pero no necesariamente opuesto a, verdadero o real); parecer".

Answer 1

Digamos que la "decoherencia" es esa transición de un estado cuántico puro a un estado mixto debido a las interacciones con el entorno. (¿Una definición razonable?)

Los estados mixtos NO son estados decoherentes, son estados donde las fases de las funciones de onda están bien definidas, sólo que no en un estado propio que dé un valor propio único en la medición.

¿Cómo es eso compatible con la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica, concretamente con el papel del observador?

En el régimen cuántico, "observación" es intercambiable con "interacción", no es necesario que haya un observador humano. Un electrón que se dispersa en un átomo "observa" al átomo.

Según la definición anterior, la observación es un ejemplo de decoherencia; el observador en la interpertación de Copemhagen forma parte del entorno y hace que la función de onda se colapse.

El lenguaje de "colapso" es una forma elegante de decir que una instancia fue elegida de una distribución de probabilidad, que es lo que nos da la función de estado cuando está compuesta por estados puros o mixtos. El cuadrado de la función de estado nos da una distribución de probabilidad y una observación nos da una instancia en esa distribución. Es tan ridículo como decir que al obtener un cinco en un lanzamiento de dados, la distribución de probabilidad de los lanzamientos de dados se ha colapsado.

Sin embargo, la decoherencia también puede producirse por el acoplamiento (a menudo no deseado) del sistema cuántico a un baño de calor.

Ahora sí, un baño de calor lleva a la decoherencia. La forma más fácil de pensar en la coherencia y la decoherencia es en el formalismo de la matriz de densidad .

Una matriz de densidad es una matriz que describe un sistema cuántico en estado mixto, un conjunto estadístico de varios estados cuánticos. Debe contrastarse con un vector de estado único que describe un sistema cuántico en un estado puro.

Una matriz de densidad tiene filas y columnas de todas las funciones de estado puras que componen un conjunto de partículas. Los elementos fuera de la diagonal llevan la información de fase entre dos funciones de onda puras.

En teoría, todo el universo podría ser descrito por una matriz de densidad. h_bar, sin embargo, es un número muy pequeño y las dimensiones macroscópicas de un baño de calor junto con el enorme número de partículas ( 10^23 por mol) reducen la matriz de densidad a sus elementos diagonales. Es entonces cuando un sistema de partículas se descohesiona, cuando se pierde la información de fase.

¿Significa eso que el baño de calor es un "observador"? Si no es así, ¿qué causa el aparente** colapso de la función de onda cuando no hay un observador humano?

La multitud de interacciones en un baño de calor y las dimensiones macroscópicas garantizan la decoherencia, la pérdida de fases entre las funciones de estado porque no se pueden medir.

Al haber trabajado con qubits superconductores de mala calidad, soy consciente de que pueden descohesionarse muy rápidamente y, aparentemente, sin observación humana. Por ejemplo, supongamos que inicializo un qubit en un estado puro. Si lo mido después de 10 ns, el qubit todavía parece estar en un estado puro. Si mido el qubit después de 1ms, parece que se ha descohesionado en un estado mixto.

un estado mixto no está descohesionado. aún así existe una matriz de densidad con elementos no nulos fuera de la diagonal

(Podría determinarlo intentando realizar alguna operación cuántica en el qubit). Dado que no medí ni interferí con el qubit en el tiempo intermedio, no parece que pudiera haber causado la decoherencia ("colapso").

Toda la materia emite radiación de cuerpo negro en función de la temperatura, es decir, los fotones inciden en su qubit. Obviamente, algunos de ellos interactuaron y cambiaron la función de estado que describe la configuración. A gran escala esto es el baño de calor.

Answer 2

No he estudiado esto en detalle, así que toma lo que digo con un grano de sal. Pero por los resúmenes que he leído, como el ensayos en decoherence.de Creo que en la interpretación de Copenhague el "colapso" tendría que entenderse como algo conceptualmente distinto de la decoherencia. Creo que una forma de ver esto sería imaginando una situación idealizada del tipo del gato de Schroedinger en la que un sistema complejo pudiera mantenerse totalmente aislado del universo externo por una especie de "caja" perfecta (como un pozo cuadrado ideal con infinitas barreras potenciales en cada lado), hasta el momento en que nosotros, desde el exterior, decidiéramos "mirar en la caja" y medir lo que hay dentro. Entonces se puede dividir el sistema en la caja en una combinación de algún pequeño subsistema A + todo lo demás, que se trata como el "entorno" del subsistema. En este caso, incluso antes de miramos dentro y colapsamos la función de onda, todavía puede haber decoherencia entre el subsistema A y su entorno dentro de la caja, pero hasta el acto de medición, todo el sistema dentro de la caja debe ser modelado por nosotros como si estuviera en un único estado puro. En este caso, los efectos de la decoherencia en las probabilidades se harían evidentes si imagináramos que "abrimos" la caja y medimos sólo el estado del subsistema A, que en la interpretación de Copenhague sería el primer punto en el que se produce cualquier "colapso" real de la función de onda. Por los resúmenes que he leído, medir sólo un subsistema de un sistema enredado más grande requiere generar una "matriz de densidad reducida" para el subsistema A a partir del estado puro más grande de todo el sistema, y es con este paso que el subsistema A se modela como si estuviera en un estado mixto. Así que la idea es que si ha habido interacciones que conducen a la decoherencia entre el subsistema A y su entorno en la caja antes de que abramos la caja y colapsemos la función de onda, las probabilidades de los diferentes resultados de las mediciones para A serán diferentes que si hubiera pas ha habido decoherencia entre A y su entorno antes de la medición (y también puede haber grados de decoherencia en lugar de ser un asunto de todo o nada, por lo que tengo entendido).

En este sentido, el ensayo "Cómo la decoherencia puede resolver el problema de la medición" por H. Dieter Zeh (uno de los fundadores de la comprensión actual de la decoherencia) en el sitio que enlacé anteriormente dice:

Como aplicación, considere la pista de partículas que surge en un Wilson o cámara de burbujas, descrita por una sucesión de eventos de colapso. Todas las pequeñas gotas (o burbujas en una cámara de burbujas) pueden interpretarse como "punteros" macroscópicos (o documentos). Ellos mismos pueden ser observados sin ser modificados por medio de "mediciones ideales". En la descripción unitaria el estado de la "partícula" aparentemente observada (su función de onda) se función de onda) se enreda con todos estos estados de los punteros de forma que describe una superposición de muchos diferentes pistas, cada una de ellas compuesta por un número de gotas en posiciones correlativas. ... La decoherencia conduce a la misma local matriz de densidad (para la combinación de sistema de gotas y "partícula", que por tanto parece representar un conjunto de huellas. Las correlaciones entre las funciones de onda de diferentes gotas que forman pistas ya eran conocidas por Mott en los mecánica cuántica, pero aún no tenía en cuenta el posterior e inevitable proceso de decoherencia de las posiciones de las gotas por su entorno. Mott no veía la necesidad de resolver ningún problema de medición, ya que había aceptado la interpretación de la probabilidad en términos de variables clásicas. En una descripción cuántica unitaria global global unitaria, sin embargo, sigue habiendo una superposición global de todas las pistas "potenciales" formadas por gotas, enredadas con la función de onda de la partícula y el entorno: un Schrödinger universal universal. Dado que uno pas obtener un conjunto de estados potenciales sin colapso, no se puede seleccionar uno de sus miembros por un mero aumento de la información.

Para otro posible ejemplo, en el experimento descrito aquí En el caso de que las moléculas de fullereno se envíen a través de una serie de rendijas en un entorno lleno de gas, si modeláramos todo el sistema como si estuviera aislado hasta la medición de la posición del fullereno después de que haya pasado por las rendijas, espero que -al igual que se encontró experimentalmente- predeciríamos diferentes grados de franjas de interferencia en el patrón espacial de los fullerenos dependiendo de la presión del gas, que afecta al grado de decoherencia que se produjo cuando el fullereno estaba pasando por las rendijas. Con una decoherencia suficiente, creo que la distribución espacial de los fullerenos al medir su posición sería igual a la distribución que sería si simplemente hubiéramos colocado detectores en cada rendija (y tal vez en puntos a lo largo del espacio entre las rendijas), y hubiéramos modelado cada evento de detección como un colapso. Si eso es correcto, entonces en este sentido la decoherencia parecería imitar los efectos de los colapsos previos, aunque en la interpretación de Copenhague todavía habría que asumir un colapso final después de que el fullereno haya pasado por todas las rendijas para poder hablar de una distribución de probabilidad final para la posición del fullereno. Pero si la estadística del subsistema A en la medición final puede ser idéntica para los dos casos "un número de mediciones individuales que inducen al colapso durante el tiempo del experimento, y luego una medición final" y "decoherencia sin colapso durante el tiempo del experimento, y luego una medición final", eso podría tomarse como una especie de razón intuitiva para apoyar las interpretaciones en las que todo El colapso aparente es en realidad una forma simplificada de modelar los efectos de la decoherencia.