6.7 Dekoherenssi

Etusivu ／ Luku 6: Kvanttialue

I. Ilmiö ja peruskysymys
Hyvin pienet kohteet voivat “käyttäytyä kuin aallot”: ne asettuvat päällekkäin ja tuottavat interferenssikuvion. Suuremmat kohteet kulkevat lähes aina “kuten hiukkaset” yhtä selkeää reittiä. Yksi elektroni tai yksi fotoni kahden raon kokeessa synnyttää hienojakoisia raitoja; jos ne korvataan lämpimällä pölyllä tai lämmitetyillä suurilla molekyyleillä, raidat himmenevät nopeasti. Jopa superjohteiset kubitit, jotka säilyttävät koherenssin, menettävät kontrastia heti, kun kytkentä ympäristöön vahvistuu. Siksi herää kysymys: jos samat fysiikan lait pätevät kaikkialla, miksi makromaailma näyttää “klassiselta”?

II. Energiasäieteorian tulkinta: kolme tapaa, joilla koherenssi “ohenee”
Ensimmäisessä maininnassa: Energiasäieteoria (EFT) kuvaa jokaista etenevää kvanttiobjektia “koherenssivaippana”, joka jatkaa kulkuaan energiameressä. Energiasäieteorian mukaan dekoherenssi syntyy, kun tämä vaippa kytkeytyy heikosti ympäristöön ja vaihejärjestys diffundoituu sekä sumentuu.

• Ympäristökytkentä kirjaa “kumpi reitti” -jäljen kaikkialle:
  Hienovaraiset törmäykset ja sironta kaasun, säteilyn tai kideristikon kanssa tallentavat reittierot ympäristön moniin vapausasteisiin. Energiasäieteorian kielellä joukko vaihekuvioita jakautuu lukuisiin filamenttimeren mikroelementteihin ja muodostaa hajautetun “muistin”.
• Tensoriaalinen taustakohina rosoistaa vaihekuvioita:
  Energiameri ei ole staattinen; siellä on heikkoa mutta kaikkialla läsnä olevaa tensoriaalista taustakohinaa. Ajan myötä se ajelehdittaa eri reittien suhteellisia vaiheita. Alun perin säännölliset kuviot hajoavat, ja koherenssivaippa muuttuu “terävästä” “tylpäksi”.
• Ympäristö “valikoi” vakaan luennan käytävät:
  Pitkäkestoisessa vuorovaikutuksessa säilyvät vain ne suuntautumiset ja jakaumat, jotka ovat vähiten herkkiä ympäristölle — niin sanotut osoitintilat. Ne vastaavat mahdollisimman vähän häiriintyviä käytäviä ja näyttävät klassisilta radoilta.

Nettovaikutus: ihmishavainnoitsijaa ei tarvita. Vaiheinformaatio on jo vuotanut ympäristöön; paikallisesta näkökulmasta jäljelle jää sekoittunut tilastojakauma ja interferenssikuvio katoaa. Näin kvanttinen todellisuus “astuu näyttämölle” klassisena.

III. Tyypillisiä tilanteita (työpöydältä tutkimuksen etulinjaan)

• Kaksoisrako kaasussa tai lämpösäteilyn alla:
  Kun painetta tai lämpötilaa lisätään vähitellen raitojen lähellä, raitojen näkyvyys heikkenee järjestelmällisesti paineen, lämpötilan ja reittieron yhteisvaikutuksen mukaan. Tulkinta: sirontatapahtumat lisäävät lähellä oleviin hiukkasiin ja fotoneihin “reittitarrat”; vaihejärjestys vuotaa ulos ja raidat hiipuvat.
• Suurten molekyylien interferenssi ja oma emissio:
  C₆₀ ja vielä suuremmat orgaaniset molekyylit osoittavat interferenssiä korkeassa tyhjiössä ja matalassa lämpötilassa. Lämmitettäessä niiden lämpöfotoneista tulee ympäristöön lähtevää vaihe-informaatiota, jolloin raidat heikkenevät, koska emittoidut fotonit kantavat vaihe-eron mukanaan.
• Kubittien koherenssiaika ja palautus ekotekniikoilla:
  Superjohde- tai spinnijärjestelmissä relaksaatio ja dephaseeraus määrittävät “koherenssi-ikkunan”. Echo-menetelmät tai dynaaminen irtikytkentä voivat palauttaa osan sumentuneesta vaihejärjestyksestä, jolloin interferenssi ilmestyy uudelleen. Tämä osoittaa, että dekoherenssi on kytkennän aiheuttamaa informaation diffuusiota, ei täydellistä hävitystä.
• “Kvanttipyyhekumi”-tyyppiset kokeet:
  Jos ympäristön vapausasteet kuljettavat reittitietoa, kyseisen rekisterin poistaminen — tai yhdistäminen niin, ettei sitä voi lukea — palauttaa interferenssin vastaavissa ehdollisissa osajoukoissa. Näkyvyys riippuu siitä, onko vaihe-informaatio saavutettavissa, ei siitä, että hiukkanen “muuttuisi äkisti klassiseksi”.
• Optomekaniikka ja biologiset koherenssi-ikkunat:
  Mikromekaaniset resonanssit, jotka on jäähdytetty lähelle perustilaa, voivat säilyttää koherenssin lyhyesti. Monimutkaiset fotosynteesikompleksit ylläpitävät hyvin pieniä koherenssi“taskuja” jopa lämpimässä ja kosteassa ympäristössä. Tämä viittaa siihen, että koherenssia voidaan ylläpitää teknisesti, kun kytkentää ja taustakohinaa hallitaan.

IV. Kokeelliset tuntomerkit (näin huomaat vaihejärjestyksen tylsymisen)

• Raitojen kontrasti vähenee systemaattisesti paineen, lämpötilan, reittieron ja hiukkaskoon kasvaessa.
• Ramsey- ja Hahn-echo-sekvenssit näyttävät vaimentuvan vaipan ja osittaisen palautumisen.
• Kun reittitietoa “pyyhitään” tai “merkitään” valikoivasti, raidat ilmestyvät uudelleen tai katoavat ehdollisessa tilastossa.
• Isotrooppinen verrattuna suuntaavaan kohinaan tuottaa erilaiset kulmariippuvuudet koherenssin heikkenemisessä.

V. Nopeat vastaukset yleisiin väärinkäsityksiin

• Onko dekoherenssi sama kuin energiahäviö?
  Ei. Kyse on ensisijaisesti vaihe-informaation ulospäin suuntautuvasta leviämisestä; kokonaisenergia voi pysyä lähes muuttumattomana.
• Tarvitseeko dekoherenssi havainnoitsijan?
  Ei. Mikä tahansa ympäristöön kirjautuva kytkentä riittää hajottamaan vaiheen — riippumatta siitä, onko havainnoitsijaa.
• Selittääkö pelkkä dekoherenssi, miksi tulos on yksikäsitteinen?
  Se selittää, miksi superpositiot eivät enää näy ja miksi syntyy vakaita osoitintiloja. Pienen eron kasvattaminen luettavaan tulokseen vaatii silti mittalaitteen kytkennän, sulkeuman ja muistiprosessit (käsitelty kohdassa 6.4).
• Onko dekoherenssi peruuttamaton?
  Periaatteessa koherenssi voidaan rakentaa uudelleen, jos kaikki ympäristöön tallentuneet tiedot kerätään ja kumotaan. Käytännössä tämä on lähes mahdotonta, koska tallenteet hajaantuvat valtaviin vapausasteisiin. Echo ja “pyyhintä” osoittavat rajattua palautuvuutta.

VI. Yhteenvetona
Dekoherenssi ei kirjoita kvanttilakeja uudelleen. Se näyttää, että kun vaihe-informaatio paikallisesta koherenssivaipasta diffundoituu laajaan energiamereen ja ympäristöön, interferenssikuviot katoavat paikallisesta näkymästä. Makroskooppinen klassisuus syntyy, kun järjestelmät — taustakohinan ja pitkäkestoisen monikanavaisen kytkennän ohjaamina — “ohjautuvat” vakaisiin käytäviin, jotka ovat vähiten herkkiä ympäristölle.
Yksi lause ytimeen: kvanttinen on kaikkialla; klassinen on sen ilmenemismuoto dekoherenssin jälkeen.