6.7 Dekoherens

Hjem ／ Kapitel 6: Kvantedomænet

I. Fænomen og grundspørgsmål
Meget små objekter kan “opføre sig som bølger”: de lægger sig oven i hinanden og danner interferensmønstre. Større objekter følger derimod næsten altid “som partikler” én tydelig bane. Enkeltstående elektroner eller fotoner i et dobbeltspalteforsøg giver fine franseliner; erstatter man dem med varm støv eller opvarmede, store molekyler, blegner franselinerne hurtigt. Selv superledende qubits, som kan bevare koherens, mister kontrast, så snart koblingen til omgivelserne bliver stærkere. Derfor melder spørgsmålet sig: hvis de samme fysiske love gælder, hvorfor ser makroverdenen så “klassisk” ud?

II. Energifilamentteorien: tre måder hvorpå koherens bliver “udtyndet”
Ved første omtale: Energifilamentteorien (EFT) beskriver enhver kvantegenstand, der udbreder sig, som en “koherenskuvert”, der føres videre i energihavet. Ifølge Energifilamentteorien opstår dekoherens, når denne kuvert kobles svagt til omgivelserne, og faseordenen diffunderer og udviskes.

• Kobling til omgivelserne skriver spor af “hvilken vej” overalt:
  Svage kollisioner og spredning med gas, stråling eller krystalgitter indkoder forskelle i bane i mange af omgivelsernes frihedsgrader. I Energifilamentteoriens sprog spredes knipper af fasemotiver ud over utallige mikroelementer i filamenthavet og danner en distribueret “hukommelse”.
• Tensorisk baggrundsstøj gør fasemotiverne ru:
  Energihavet er ikke statisk; der findes svag, allestedsnærværende tensorisk baggrundsstøj. Over tid driver de relative faser mellem forskellige baner, de ellers ordnede mønstre brydes op, og koherenskuverten går fra “skarp” til “buttet”.
• Omgivelserne “vælger” korridorer for stabil aflæsning:
  Ved langvarig vekselvirkning bevares kun de orienteringer og fordelinger, som er mindst følsomme over for omgivelserne — de såkaldte pegertilstande. De svarer til korridorer med minimal forstyrrelse og fremtræder som klassiske baner.

Nettovirkning: Der behøves ingen menneskelig observatør. Faseinformation er allerede lækket ud i omgivelserne; set fra det lokale system resterer blandet statistik, og interferensmønsteret forsvinder. Sådan træder det kvantemekaniske “ind på scenen” som klassisk.

III. Typiske scenarier (fra værkstedsbord til forskningsfront)

• Dobbeltspalte i gas eller med termisk stråling:
  Øger man gradvist tryk eller temperatur nær banerne, falder fransekontrasten systematisk efter en kombination af tryk, temperatur og baneforskel. Forklaring: spredningshændelser påsætter nærliggende partikler og fotoner “baneetikker”; faseordenen lækker ud, og franselinerne dør ud.
• Interferens med store molekyler og egenemission:
  C₆₀ og endnu større organiske molekyler viser interferens i højt vakuum ved lav temperatur. Ved opvarmning “fører” deres termiske fotoner faseinformation ud til omgivelserne, så franselinerne svækkes, fordi de udsendte fotoner bærer faseforskellen med sig.
• Qubitters koherenstid og genrejsning med ekko:
  I superledende eller spinniske systemer bestemmer relaxation og defasning “koherensvinduet”. Ekko-teknikker eller dynamisk afkobling kan trække dele af den udviskede faseorden tilbage, så interferensen vender tilbage. Det viser, at dekoherens er informationsdiffusion forårsaget af kobling — ikke total sletning.
• “Kvantviskelæder”-eksperimenter:
  Når omgivelsernes frihedsgrader bærer baneinformation, kan sletning af denne registrering — eller en sammensmeltning, der gør den ulæselig — genskabe interferens i de tilsvarende betingede delmængder. Synligheden afhænger af, om faseinformationen er tilgængelig, ikke af at en partikel “pludselig bliver klassisk”.
• Optomekanik og biologiske koherensvinduer:
  Mikromekaniske resonatorer, nedkølet tæt på grundtilstanden, kan kortvarigt bevare koherens. Komplekse fotosyntesekomplekser opretholder meget små “lommer” af koherens selv i varme og fugtige miljøer. Det peger på, at koherens kan vedligeholdes teknisk, når kobling og baggrundsstøj kontrolleres.

IV. Eksperimentelle fingeraftryk (sådan mærker man, at fasen bliver “buttere”)

• Fransekontrasten falder systematisk med stigende tryk, temperatur, baneforskel og partikelstørrelse.
• Ramsey- og Hahn-ekko-sekvenser viser en aftagende kuvert med delvis genrejsning.
• Efter selektiv “sletning” eller “mærkning” af baneinformation optræder eller forsvinder franseliner i betinget statistik.
• Isotropisk kontra retningsbestemt støj giver forskellige vinkelafhængigheder i koherensens henfald.

V. Hurtige svar på almindelige misforståelser

• Er dekoherens det samme som energitab?
  Nej. Det er først og fremmest udadgående spredning af faseinformation; den totale energi kan være næsten uændret.
• Kræver dekoherens en observatør?
  Nej. Enhver registrerbar kobling til omgivelserne er nok til at sprede fasen — med eller uden observatør.
• Forklarer dekoherens alene, hvorfor udfaldet bliver entydigt?
  Den forklarer, hvorfor superpositioner bliver usynlige, og hvorfor stabile pegertilstande opstår. For at forstørre en ganske lille forskel til et læsbart resultat kræves dog stadig måleapparatets kobling, lukning og hukommelsesprocesser (se afsnit 6.4).
• Er dekoherens irreversibel?
  I princippet kan koherens genopbygges, hvis alle miljøregistre samles og reverseres. I praksis er det næsten umuligt, fordi registrene er spredt over et enormt antal frihedsgrader. Ekko og “sletning” viser en begrænset reversibilitet.

VI. Sammenfattende
Dekoherens omskriver ikke kvantelovene. Den viser, at når faseinformation fra en lokal koherenskuvert diffunderer ud i det store energihav og i omgivelserne, forsvinder interferensmønstre fra det lokale perspektiv. Makroskopisk klassicitet opstår, når systemer — drevet af baggrundsstøj og langvarig, flerkanalet kobling — “styres” ind i stabile korridorer, som er mindst følsomme over for omgivelserne.
I én sætning: det kvantemekaniske er overalt; det klassiske er dets fremtoning efter dekoherens.