Decoerência quântica é a perda de coerência quântica. Envolve geralmente uma perda de informação de um sistema para seu ambiente. A decoerência quântica tem sido estudada para entender como sistemas quânticos se convertem em sistemas que podem ser explicados pela mecânica clássica. Começando a partir de tentativas de estender a compreensão da mecânica quântica, a teoria se desenvolveu em várias direções e estudos experimentais confirmaram algumas das questões-chave. A computação quântica depende da coerência quântica e é uma das principais aplicações práticas do conceito.
Conceito Em mecânica quântica, um sistema físico é descrito por uma representação matemática chamada estado quântico. As probabilidades para os resultados de experimentos em um sistema são calculadas aplicando a regra de Born ao estado quântico que descreve esse sistema. Estados quânticos são puros ou misturados; estados puros também são conhecidos como funções de onda. Atribuir um estado puro a um sistema quântico implica certeza sobre o resultado de alguma medição nesse sistema, ou seja, que existe uma medição para a qual um dos resultados possíveis ocorrerá com probabilidade 1. Na ausência de forças ou interações externas, um estado quântico evolui unitariamente ao longo do tempo. Consequentemente, um estado quântico puro permanece puro. No entanto, se o sistema não está perfeitamente isolado, por exemplo durante uma medição, a coerência é compartilhada com o ambiente e parece ser perdida com o tempo — um processo chamado decoerência quântica ou decoerência ambiental. A coerência quântica não é perdida, mas sim misturada com muitos mais graus de liberdade no ambiente, análogo à maneira como a energia parece ser perdida durante o atrito na mecânica clássica quando na verdade produziu calor no ambiente.
A decoerência pode ser vista como a perda de informação de um sistema para o ambiente (frequentemente modelado como um banho térmico), uma vez que todo sistema está frouxamente acoplado com o estado energético de seu entorno. Visto em isolamento, a dinâmica do sistema é não unitária (embora o sistema combinado mais o ambiente evolua de forma unitária). Assim, a dinâmica do sistema sozinho é irreversível. Como com qualquer acoplamento, emaranhamentos são gerados entre o sistema e o ambiente. Estes têm o efeito de compartilhar informação quântica com — ou transferi-la para — o ambiente.
História e interpretação Relação com a interpretação da mecânica quântica Uma interpretação da mecânica quântica é uma tentativa de explicar como a teoria matemática da física quântica pode corresponder à realidade experienciada. Cálculos de decoerência podem ser feitos em qualquer interpretação da mecânica quântica, uma vez que esses cálculos são uma aplicação das ferramentas matemáticas padrão da teoria quântica. No entanto, o assunto da decoerência tem estado intimamente relacionado ao problema da interpretação ao longo de sua história.
A decoerência tem sido usada para entender a possibilidade do colapso da função de onda na mecânica quântica. A decoerência não gera o colapso da função de onda real. Ela apenas fornece um quadro para o colapso da função de onda aparente, à medida que os componentes de um sistema quântico se emaranham com outros sistemas quânticos dentro do mesmo ambiente. Isto é, componentes da função de onda são desacoplados de um sistema coerente e adquirem fases de seu entorno imediato. Uma superposição total da função de onda global ou universal ainda existe (e permanece coerente no nível global), mas seu destino final permanece uma questão interpretacional.
Com respeito ao problema da medição, a decoerência fornece uma explicação para a transição do sistema para uma mistura de estados que parecem corresponder àqueles estados que os observadores percebem. Além disso, a observação indica que essa mistura se parece com um ensemble quântico adequado em uma situação de medição, pois as medições levam à "realização" de precisamente um estado no "ensemble".
As visões filosóficas de Werner Heisenberg e Niels Bohr têm sido frequentemente agrupadas como a "interpretação de Copenhague", apesar de divergências significativas entre eles em pontos importantes. Em 1955, Heisenberg sugeriu que a interação de um sistema com seu ambiente circundante eliminaria os efeitos de interferência quântica. No entanto, Heisenberg não forneceu um relato detalhado de como isso poderia acontecer, nem tornou explícita a importância do emaranhamento no processo.
Origem dos conceitos A solução de Nevill Mott para o icônico problema de Mott em 1929 é considerada, em retrospecto, como o primeiro trabalho sobre decoerência quântica. Foi citado pelo primeiro tratamento teórico moderno.
Embora não tenha usado o termo, o conceito de decoerência quântica foi introduzido pela primeira vez em 1951 pelo físico americano David Bohm, que o chamou de "destruição da interferência no processo de medição". Bohm mais tarde usou a decoerência para lidar com o processo de medição na interpretação de Broglie-Bohm da teoria quântica.
A significância da decoerência foi ainda mais destacada em 1970 pelo físico alemão H. Dieter Zeh, e tem sido um assunto de pesquisa ativa desde a década de 1980. A decoerência foi desenvolvida em um quadro completo, mas há controvérsia sobre se ela resolve o problema da medição, como os fundadores da teoria da decoerência admitem em seus artigos seminais.
O estudo da decoerência como um assunto adequado começou em 1970, com o artigo de H. Dieter Zeh "On the Interpretation of Measurement in Quantum Theory". Zeh considerava a função de onda como uma entidade física, ao invés de um dispositivo de cálculo ou um compêndio de informação estatística (como é típico para interpretações do tipo Copenhague), e propôs que ela deveria evoluir unitariamente, de acordo com a equação de Schrödinger, em todos os momentos. Zeh não tinha conhecimento inicialmente do trabalho anterior de Hugh Everett III, que também propôs uma função de onda universal evoluindo unitariamente; ele revisou seu artigo para referenciar Everett depois de tomar conhecimento da "interpretação de estado relativo" de Everett através de um artigo de Bryce DeWitt. (DeWitt foi quem denominou a proposta de Everett de interpretação de muitos mundos, pelo qual é comumente conhecida.) Para Zeh, a questão de como interpretar a mecânica quântica era de importância fundamental, e uma interpretação nos moldes da de Everett era a mais natural. Em parte devido a um desinteresse geral entre os físicos por questões interpretacionais, o trabalho de Zeh permaneceu relativamente negligenciado até o início dos anos 1980, quando dois artigos de Wojciech Zurek revigoraram o assunto. Ao contrário das publicações de Zeh, os artigos de Zurek eram bastante agnósticos sobre a interpretação, concentrando-se em vez disso em problemas específicos da dinâmica da matriz densidade. O interesse de Zurek pela decoerência derivou do avanço da análise de Bohr do experimento da dupla fenda em sua resposta ao paradoxo de Einstein-Podolsky-Rosen, trabalho que ele havia empreendido com Bill Wootters, e desde então ele argumentou que a decoerência traz uma espécie de reaproximação entre as visões everettiana e do tipo Copenhague.
A decoerência não alega fornecer um mecanismo para algum colapso real da função de onda; em vez disso, apresenta um quadro razoável para a aparência do colapso da função de onda. A natureza quântica do sistema é simplesmente emaranhada no ambiente de modo que uma superposição total da função de onda ainda existe, mas existe — pelo menos para todos os propósitos práticos — além do reino da medição.Roger Penrose (2004), The Road to Reality, pp. 802–803: "...the environmental-decoherence viewpoint [...] maintains that state vector reduction [the R process] can be understood as coming about because the environmental system under consideration becomes inextricably entangled with its environment. [...] We think of the environment as extremely complicated and essentially 'random' [...], accordingly we sum over the unknown states in the environment to obtain a density matrix [...] Under normal circumstances, one must regard the density matrix as some kind of approximation to the whole quantum truth. For there is no general principle providing an absolute bar to extracting information from the environment. [...] Accordingly, such descriptions are referred to as FAPP [for all practical purposes]".Huw Price (1996), Times' Arrow and Archimedes' Point, p. 226: "There is a world of difference between saying 'the environment explains why collapse happens where it does' and saying 'the environment explains why collapse seems to happen even though it doesn't really happen'." Por definição, a afirmação de que uma função de onda mesclada, mas não mensurável, ainda existe não pode ser comprovada experimentalmente. A decoerência é necessária para entender por que um sistema quântico começa a obedecer às regras de probabilidade clássicas após interagir com seu ambiente (devido à supressão dos termos de interferência ao aplicar as regras de probabilidade de Born ao sistema).
Críticas à adequação da teoria da decoerência para resolver o problema da medição foram expressas por Anthony Leggett.
Mecanismos Para examinar como a decoerência opera, um modelo "intuitivo" é apresentado abaixo. O modelo requer alguma familiaridade com os fundamentos da teoria quântica. Analogias são feitas entre espaços de fase clássicos visualizáveis e espaços de Hilbert. Uma derivação mais rigorosa em notação de Dirac mostra como a decoerência destrói os efeitos de interferência e a "natureza quântica" dos sistemas. Em seguida, a abordagem da matriz densidade é apresentada para perspectiva.
Imagem do espaço de fase Um sistema de N partículas pode ser representado na mecânica quântica não relativística por uma função de onda , onde cada xi é um ponto no espaço tridimensional. Isso tem analogias com o espaço de fase clássico. Um espaço de fase clássico contém uma função de valor real em 6N dimensões (cada partícula contribui com 3 coordenadas espaciais e 3 momentos). Neste caso, um espaço de fase "quântico", por outro lado, envolve uma função de valor complexo em um espaço 3N-dimensional. A posição e os momentos são representados por operadores que não comutam, e vive na estrutura matemática de um espaço de Hilbert. Além dessas diferenças, no entanto, a analogia aproximada se mantém.
Diferentes sistemas isolados anteriormente e não interagentes ocupam diferentes espaços de fase. Alternativamente, podemos dizer que eles ocupam diferentes subespaços de dimensão inferior no espaço de fase do sistema conjunto. A dimensionalidade efetiva do espaço de fase de um sistema é o número de graus de liberdade presentes, que — em modelos não relativísticos — é 6 vezes o número de partículas livres de um sistema. Para um sistema macroscópico, esta será uma dimensionalidade muito grande. Quando dois sistemas (sendo o ambiente um sistema) começam a interagir, no entanto, seus vetores de estado associados não estão mais restritos aos subespaços. Em vez disso, o vetor de estado combinado evolui no tempo através de um caminho através do "volume maior", cuja dimensionalidade é o produto das dimensões dos dois subespaços. A extensão em que dois vetores interferem entre si é uma medida do quão "próximos" eles estão um do outro (formalmente, sua sobreposição ou produto do espaço de Hilbert se multiplica) no espaço de fase. Quando um sistema se acopla a um ambiente externo, a dimensionalidade e, portanto, o "volume" disponível para o vetor de estado conjunto aumenta enormemente. Cada grau de liberdade ambiental contribui com uma dimensão extra.