量子退相干檢視原始碼討論檢視歷史

來自 站酷網 的圖片

量子退相干在量子力學里，開放量子系統的量子相干性會因為與外在環境發生量子糾纏而隨着時間逐漸喪失，這效應稱為量子退相干（英語：Quantum decoherence），又稱為量子去相干。量子退相干是量子系統與環境因量子糾纏而產生的後果。由於量子相干性而產生的干涉現象會因為量子退相干而變得消失無蹤。量子退相干促使系統的量子行為變遷成為經典行為，這過程稱為「量子至經典變遷」（quantum-to-classical transition）。德國物理學者漢斯·澤賀最先於1970年提出量子退相干的概念。自1980年以來，量子退相干已成為熱門研究論題。

歷史

1935年，在普林斯頓高等研究院，阿爾伯特·愛因斯坦、博士後納森·羅森、研究員鮑里斯·波多爾斯基合作完成論文《物理實在的量子力學描述能否被認為是完備的？》，並且將這篇論文發表於5月份的《物理評論》。這是最早探討量子糾纏的一篇論文。在這篇論文裡，他們詳細表述愛因斯坦-波多爾斯基-羅森佯謬，試圖借着一個思想實驗來論述量子力學的不完備性質。他們並沒有更進一步研究量子糾纏的特性。

薛定諤仔細閱讀了愛因斯坦研究團隊的論文。稍後不久，他發表了一篇論文，對於「量子糾纏」這術語給予定義，並且研究探索相關概念。薛定諤體會到這概念的重要性，他表明，量子糾纏不只是量子力學的某個很有意思的性質，而是量子力學的特徵性質；量子糾纏在量子力學與經典思路之間做了一個完全切割。為了進一步顯示量子力學的不完備性，薛定諤將量子力學應用到宏觀效應中，從而構思了著名的薛定諤貓思想實驗。這思想實驗明顯地呈現出量子至經典變遷的問題。

在之後40年，量子至經典變遷的問題並未得到解答，主要有兩個原因，一是由於物理學者認為這論題不常出現於宏觀世界，並且沒有什麼實際用途，二是由於物理學者並未發現環境會扮演那麼關鍵的角色促成了量子至經典變遷1970年，德國物理學者漢斯·澤賀發表了首篇關於量子退相干的論文，他強調，所有宏觀系統都是開放系統，都會強烈地與環境相互作用．它們不會遵守薛定諤方程，因為，薛定諤方程只適用於孤立系統。這嶄新的量子退相干概念並沒有立刻吸引到學術界的注意。1981至1982年之間，波蘭物理學者沃傑克·祖瑞克在《物理評論D》發表了兩篇關鍵性論文，他指出經典系統自然而然地將內含的量子相干性泄漏至環境，因而導致量子退相干的後果，在處理波函數坍縮問題時，不能夠忽略這後果。祖瑞克的兩篇論文使得量子退相干成為熱門量子論題。1984年，祖瑞克推導出估算量子退相干時間尺度的公式，可以很容易地對於一般量子系統進行相關估算。隔年，澤賀與學生艾瑞曲·猶斯共同給出一個模型，能夠詳細地描述因環境粒子散射而產生量子退相干後果的全部過程。1991年，祖瑞克在《今日物理》發表了一篇論文，將量子退相干介紹給更廣泛學術界，從而引起更多物理學者注意到這學術領域的發展。

實驗觀察

量子退相干通常發生的很快，因此很難製成處於宏觀或介觀的疊加態物體。為了要實驗驗證量子退相干的效應、見證量子與經典之間的平滑邊界、檢驗與改良描述量子退相干的理論模型、找出任何不同於量子力學幺正演化行為之處，必須完成以下幾件極具挑戰性的任務：

製備出可分辨的幾個宏觀態或介觀態的量子疊加態。

設計一套證實量子疊加的方法。

量子退相干時間尺度必須足夠長久，這樣才能正確地觀測量子退相干。

設計一套監督量子退相干的方法。

腔量子電動力學實驗

1996年，在法國巴黎高等師範學校，物理學者塞爾日·阿羅什實驗團隊在腔量子電動力學實驗中，首先定量觀測到輻射場的介觀疊加態的相位相干性逐漸地因量子退相干而被摧毀。

在這實驗裡，單獨里德伯銣原子被傳輸通過含有輻射場的微波腔，而這裡德伯原子是處於兩個量子態所組成的疊加態，其中一個量子態會使得輻射場發生相移，因此促使輻射場從原先所處的非疊加態變為疊加態。由於光子散射於腔鏡子的瑕疵，輻射場會逐漸失去其相位相干性給環境。傳送第二個里德伯原子通過微波腔，可以測量出輻射場的相位相干性。從分析在不同延遲時間下相位相干性的數據，可以實驗證實量子退相干效應。

因為研究能夠量度和操控個體量子系統的突破性實驗方法，阿羅什榮獲2012年諾貝爾物理學獎。

量子干涉學實驗

2002年，奧地利維也納大學物理學者安東·蔡林格研究團隊發表論文報告觀察C70富勒烯干涉行為的結果。C70富勒烯的質量為840amu，直徑約為1nm，是由超過1000個微觀粒子所組成的相當複雜的物體，因此很不容易觀察到量子干涉效應，必須特別使用一種應用塔爾博特效應的干涉儀，稱為塔爾博特-勞澳干涉儀。碰撞退相干、熱力學退相干、振動攝動引起的退相位，這幾種效應會促使干涉圖案的可視性會逐漸衰減。量子退相干可以用可視性的衰減來量度，因此可視性的衰減表徵量子退相干效應。

量子信息科學

退相干現象對量子信息科學的影響可大致分成兩大內容來說明：量子計算與量子通信。我們知道在量子信息科學中，量子系統的狀態含藏着信息的意義。量子退相干會使我們所在意的系統出現信息部分或完全喪失的結果，因此在量子計算上會造成計算結果出現誤差干擾；而在量子通信上，一個環境充滿擾動的信息傳遞通道（channel），在通道末端的收受者則有收到噪聲及錯誤訊息的可能，需要除錯系統如編碼方法之協助。