6.7 Dekoherence

Domů ／ Kapitola 6: Kvantová oblast (V5.05)

I. Jev a základní otázka
Velmi malé objekty se mohou „chovat jako vlny“: překrývají se a vytvářejí interferenční obrazec. Naproti tomu větší objekty téměř vždy putují „jako částice“ po jediné zřetelné dráze. Jeden elektron či jeden foton ve dvojštěrbinovém experimentu dává jemné proužky; nahradíme-li je teplým prachem nebo ohřátými velkými molekulami, proužky rychle blednou. I supravodivé kubity, které si dokážou udržet koherenci, ztrácejí kontrast, jakmile se silněji navážou na okolí. Vzniká tedy přirozená otázka: jestliže platí stejné fyzikální zákony, proč makrosvět vypadá „klasicky“?

II. Výklad podle Teorie energetických vláken: tři způsoby, jak se koherence „ředí“
Při prvním uvedení: Teorie energetických vláken (EFT) popisuje každý šířící se kvantový objekt jako „koherenční obálku“, která si předává postup v „moři energie“. Podle Teorie energetických vláken nastává dekoherence tehdy, když se tato obálka slabě naváže na prostředí, takže se fázový řád rozptýlí a rozmaže.

• Vazba na prostředí zapisuje stopy „kterou cestou“ všude kolem:
  Jemné srážky a rozptyl na plynu, záření či krystalové mříži ukládají rozdíly cest do mnoha stupňů volnosti prostředí. Jazykem Teorie energetických vláken se trsy fázových motivů rozdělují mezi nesčetné mikroprvky moře vláken a tvoří rozptýlenou „paměť“.
• Tenzorový šum pozadí zdrsňuje fázové motivy:
  Moře energie není statické; existuje v něm všudypřítomný, slabý tenzorový šum. Časem posouvá relativní fáze mezi různými cestami, dříve uspořádané vzory se rozpadají a koherenční obálka přechází z „ostré“ na „tupou“.
• Prostředí „volí“ koridory stabilního odečtu:
  Při dlouhodobé interakci přetrvají jen orientace a rozdělení, která jsou vůči prostředí nejméně citlivá — tzv. ukazatelové stavy. Odpovídají koridorům s minimálním rušením a jeví se jako klasické trajektorie.

Čistý efekt: lidský pozorovatel není potřeba. Fázová informace už unikla do prostředí; z pohledu lokálního systému zůstává smíšená statistika a interferenční obrazec mizí. Tak kvantový svět „vstupuje na scénu“ jako klasický.

III. Typické situace (od laboratorního stolku po výzkumnou špičku)

• Dvojštěrbina v plynu či za tepelného záření:
  Když postupně zvyšujeme tlak nebo teplotu v blízkosti drah, viditelnost proužků systematicky klesá podle kombinace tlaku, teploty a rozdílu drah. Vysvětlení: rozptylové děje přidávají okolním částicím a fotonům „štítky dráhy“, fázový řád uniká a proužky dohasínají.
• Interference velkých molekul a vlastní emise:
  C₆₀ a ještě větší organické molekuly vykazují interferenci ve vysokém vakuu a při nízké teplotě. Při ohřevu jejich tepelné fotony „vynášejí“ fázovou informaci do prostředí; proužky slábnou, protože emitované fotony nesou rozdíl fází.
• Doby koherence kubitů a obnova pomocí echa:
  V supravodivých či spinových systémech určují „okno koherence“ relaxace a defazace. Echo techniky nebo dynamické odpojování dokážou vrátit část rozmazaného fázového řádu, takže se interference znovu objeví. To ukazuje, že dekoherence je difuze informace způsobená vazbou, nikoli úplné vymazání.
• Experimenty typu „kvantová guma“:
  Pokud stupně volnosti prostředí nesou záznam o dráze, jeho smazání — nebo takové sloučení, aby nebyl čitelný — obnoví interferenci v příslušných podmíněných podmnožinách. Viditelnost závisí na dostupnosti fázové informace, nikoli na tom, že by se částice „náhle stala klasickou“.
• Optomechanika a „okna“ koherence v biologii:
  Mikromechanické rezonátory ochlazené blízko základního stavu si krátce udrží koherenci. Složitá fotosyntetická seskupení udržují drobné „kapsy“ koherence i v teplém a vlhkém prostředí. To naznačuje, že koherenci lze technicky podpírat, pokud se řídí vazby a šum pozadí.

IV. Experimentální otisky (jak poznat, že fáze „tupí“)

• Kontrast proužků klesá systematicky s rostoucím tlakem, teplotou, rozdílem drah a velikostí částic.
• Sekvence Ramsey a Hahn-echo ukazují slábnoucí obálku s částečným návratem.
• Po selektivním „vymazání“ či „označení“ informace o dráze se proužky v podmíněné statistice opět objeví, nebo naopak zmizí.
• Izotropní oproti směrovému šumu vede k odlišným úhlovým závislostem úbytku koherence.

V. Rychlé odpovědi na časté omyly

• Je dekoherence totéž co ztráta energie?
  Není. Především jde o odliv fázové informace navenek; celková energie může zůstat téměř stejná.
• Vyžaduje dekoherence pozorovatele?
  Ne. Jakákoli zaznamenatelná vazba na prostředí stačí k rozptýlení fáze — s pozorovatelem i bez něj.
• Vysvětluje samotná dekoherence, proč nastane jediný výsledek?
  Vysvětluje, proč se superpozice stanou nepozorovatelné a proč se objevují stabilní ukazatelové stavy. Aby se však drobný rozdíl zvětšil do čitelného výsledku, jsou stále nutné vazba, uzavření a paměťové procesy měřicího zařízení (viz oddíl 6.4).
• Je dekoherence nevratná?
  V zásadě lze koherenci znovu vybudovat, pokud by se shromáždily a obrátily všechny záznamy prostředí. V praxi je to téměř nemožné, protože záznamy jsou rozptýleny v obrovském počtu stupňů volnosti. Echo a „guma“ ukazují omezenou vratnost.

VI. Shrnutě
Dekoherence nepřepisuje kvantové zákony. Ukazuje, že když fázová informace z lokální koherenční obálky difunduje do rozsáhlého moře energie a do prostředí, interferenční obrazce z lokálního pohledu mizí. Makroskopická „klasičnost“ vzniká tehdy, když jsou systémy — působením šumu pozadí a dlouhodobé vícekanálové vazby — „naváděny“ do stabilních koridorů, které jsou vůči prostředí nejméně citlivé.
Jednou větou: kvantový svět je všudypřítomný; klasický je jeho podoba po dekoherenci.