6.7 Dekoherencja

Strona główna ／ Rozdział 6: Domena kwantowa

I. Zjawisko i zasadnicze pytanie
Bardzo małe obiekty potrafią „zachowywać się jak fala”: nakładają się i tworzą prążki interferencyjne. Większe obiekty niemal zawsze „jak cząstki” podążają jedną, wyraźną drogą. Pojedynczy elektron lub foton w doświadczeniu z dwiema szczelinami daje drobne prążki; jeśli zastąpimy je gorącym pyłem lub ogrzanymi dużymi cząsteczkami, prążki szybko bledną. Nawet nadprzewodzące kubity, które utrzymują spójność, tracą kontrast, gdy tylko silniej sprzęgną się z otoczeniem. Pojawia się więc intuicyjne pytanie: skoro obowiązują te same prawa fizyki, dlaczego świat makroskopowy wygląda „klasycznie”?

II. Interpretacja według Teorii Włókien Energii: trzy sposoby „rozcieńczania” koherencji
Przy pierwszym użyciu: Teoria Włókien Energii (EFT) opisuje każdy propagujący się obiekt kwantowy jako „kopertę koherencji”, która przekazywana jest dalej w „morzu energii”. Zgodnie z Teorią Włókien Energii dekoherencja pojawia się, gdy ta koperta słabo sprzęga się z otoczeniem, a porządek fazowy rozprasza się i ulega rozmyciu.

• Sprzężenie z otoczeniem zapisuje ślady „którą drogą” wszędzie:
  Delikatne zderzenia i rozpraszanie na gazie, promieniowaniu lub sieci krystalicznej utrwalają różnice dróg w wielu stopniach swobody otoczenia. W języku Teorii Włókien Energii kępki wzorów fazowych są dystrybuowane po niezliczonych mikroelementach „morskich włókien”, tworząc rozproszoną „pamięć”.
• Tensorowy szum tła „szczerbi” wzory fazowe:
  Morze energii nie jest statyczne; istnieje wszechobecny, słaby tensorowy szum tła. Z czasem powoduje on dryf faz pomiędzy różnymi drogami. Uporządkowane wcześniej wzory rozpadają się, a koperta koherencji przechodzi z „ostrej” w „tępą”.
• Otoczenie „wybiera” korytarze stabilnego odczytu:
  Przy długotrwałej interakcji utrzymują się tylko te orientacje i rozkłady, które są najmniej wrażliwe na otoczenie — tzw. stany wskaźnikowe. Odpowiadają one korytarzom minimalnych zaburzeń i wyglądają jak klasyczne trajektorie.

Efekt netto: ludzki obserwator nie jest potrzebny. Informacja o fazie już wyciekła do otoczenia; z perspektywy układu lokalnego pozostaje mieszana statystyka, a obraz interferencyjny zanika. Tak właśnie kwanty „wchodzą na scenę” jako klasyka.

III. Typowe scenariusze (od stołu laboratoryjnego po front badań)

• Dwie szczeliny w obecności gazu lub promieniowania cieplnego:
  Gdy stopniowo zwiększamy ciśnienie lub temperaturę w pobliżu dróg, widoczność prążków maleje systematycznie zgodnie z kombinacją ciśnienia, temperatury i różnicy dróg. Wyjaśnienie: zdarzenia rozpraszania nadają pobliskim cząstkom i fotonom „etykiety drogi”; porządek fazowy wycieka, więc prążki gasną.
• Interferencja dużych cząsteczek i emisja własna:
  C₆₀ i jeszcze większe cząsteczki organiczne pokazują interferencję w wysokiej próżni i niskiej temperaturze. Po ogrzaniu ich fotony termiczne „wynoszą” informację fazową do otoczenia, a prążki słabną, ponieważ emitowane fotony niosą różnicę faz.
• Czasy koherencji kubitów i odzysk przy pomocy echa:
  W układach nadprzewodzących lub spinowych relaksacja i defazowanie wyznaczają „okno koherencji”. Techniki echa lub dynamicznego rozsprzęgania potrafią przywrócić część rozmytego porządku faz, dzięki czemu interferencja znów się pojawia. To dowód, że dekoherencja to dyfuzja informacji wskutek sprzężenia, a nie całkowite wymazanie.
• Eksperymenty typu „gumka kwantowa”:
  Jeśli stopnie swobody otoczenia przenoszą informację o drodze, to jej skasowanie — albo takie połączenie, by była nie do odczytania — przywraca interferencję w odpowiednich warunkowych podzbiorach. Widoczność zależy od dostępności informacji fazowej, a nie od „nagłego sklaszczenia” cząstki.
• Optomechanika i „okna” koherencji w biologii:
  Mikromechaniczne rezonatory wychłodzone blisko stanu podstawowego potrafią krótko utrzymać koherencję. Złożone kompleksy fotosyntezy zachowują maleńkie „kieszenie” koherencji nawet w ciepłym i wilgotnym środowisku. To dowodzi, że koherencję można inżyniersko podtrzymywać, o ile kontroluje się sprzężenia i szum tła.

IV. Odciski eksperymentalne (jak rozpoznać, że faza „tępieje”)

• Kontrast prążków maleje systematycznie wraz ze wzrostem ciśnienia, temperatury, różnicy dróg i rozmiaru cząstek.
• Sekwencje Ramsey’ego i Hahn-echo pokazują zanikającą kopertę z częściowym odtworzeniem.
• Po selektywnym „wymazaniu” lub „oznaczeniu” informacji o drodze prążki w statystyce warunkowej pojawiają się na nowo lub znikają.
• Szum izotropowy w porównaniu z kierunkowym daje odmienne zależności kątowe zaniku koherencji.

V. Szybkie odpowiedzi na częste nieporozumienia

• Czy dekoherencja to to samo co utrata energii?
  Nie. Przede wszystkim jest to rozchodzenie się na zewnątrz informacji o fazie; energia całkowita może pozostać niemal niezmieniona.
• Czy dekoherencja wymaga obserwatora?
  Nie. Każde rejestrowalne sprzężenie z otoczeniem rozprasza fazę — z obserwatorem lub bez.
• Czy sama dekoherencja wyjaśnia, dlaczego pojawia się pojedynczy wynik?
  Wyjaśnia, dlaczego superpozycje stają się niewidoczne i dlaczego pojawiają się stabilne stany wskaźnikowe. Aby jednak powiększyć drobną różnicę do czytelnego wyniku, potrzebne są procesy sprzężenia, domknięcia i pamięci aparatury pomiarowej (omówione w sekcji 6.4).
• Czy dekoherencja jest nieodwracalna?
  Zasadniczo, gdyby zebrać wszystkie zapisy środowiskowe i je odwrócić, koherencję dałoby się odbudować. W praktyce jest to niemal niemożliwe, bo zapisy są rozproszone po ogromnej liczbie stopni swobody. Echo i „wymazywanie” pokazują ograniczoną odwracalność.

VI. Podsumowanie
Dekoherencja nie przepisuje praw mechaniki kwantowej. Pokazuje, że gdy informacja fazowa z lokalnej koperty koherencji rozprasza się do rozległego „morza energii” i otoczenia, wzory interferencyjne znikają z lokalnej perspektywy. Klasyczność w skali makro wyłania się, gdy układy — pod wpływem szumu tła i długotrwałych wielokanałowych sprzężeń — są „kierowane” do stabilnych korytarzy najmniej wrażliwych na otoczenie.
Jedno zdanie na koniec: kwanty są wszechobecne; to, co widzimy, to ich obraz po dekoherencji.