量子退相干：修订间差异

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2015年12月31日 (四) 08:21的版本

在開放量子系統裏，處於曡加態的幾個成分彼此之間的量子相干性，會因為與外在環境相互作用而隨著時間逐步喪失，這效應稱為量子退相干（英語：Quantum decoherence），又稱為量子去相干。量子曡加所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）。由於環境擁有幾乎無窮大的自由度，而且很難適當地操縱環境，因此，一般而言，量子退相干具有不可逆性。德國物理學者漢斯．狄特．澤賀（英语：Heinz Dieter Zeh）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。^[1]^[2]^:10-12

實際而言，不存在孤立系統，特別是不存在孤立宏觀系統，通過某種方式，每個量子系統都會持續地與外在環境耦合，發生量子糾纏，從而形成糾纏態。因此，量子退相干可以視為存在於量子系統內部的相干性隨著時間流易而退定域（delocalize）至量子系統與環境所組成的糾纏態，換句話說，量子系統內部的幾個成分，彼此之間的相位關係，會隨著時間流易而退定域至量子系統與環境所組成的糾纏態，也就是說，量子系統的相位信息會持續地洩露至環境，從而有效地促使伴隨著相干性的干涉現象消失無蹤。只單獨考慮量子系統，其隨著時間流易的演化是呈非幺正性，雖然量子系統與環境整體隨著時間流易的演化是呈幺正性。^[3]這樣，量子系統的演化貌似具有不可逆性。^[1]^:12^[2]^:68-69

量子退相干能夠解釋為什麼不會觀察到干涉現象，但是，量子退相干能否解釋波函數塌縮的後果，這論題至今仍舊存在巨大爭議，一個很重要的原因就是，很難將這論題跟量子力學的詮釋做分割，而人們各自有各自青睞的詮釋。量子退相干是一種標準量子力學效應，關於它是否能夠解釋波函數塌縮的後果，存在有很多種觀點，大多數過於樂觀或過於悲觀的觀點，皆可追溯至對於量子退相干運作範圍的誤解。^[2]^:49-50

量子退相干不是一種量子力學詮釋，而是利用量子力學分析獲得的理論。它嚴格遵守量子力學，並沒有對量子力學的基礎表述做任何修改。很多完成的量子實驗已證實量子退相干的存在與正確性。^[1]^:8

在實現量子計算機方面，量子退相干是一種必須面對的挑戰，因為量子計算機的運作倚賴維持量子相干態的演化不被環境攪擾。簡言之，必需良好維持量子相干態與管控量子退相干，才能夠實際進行量子運算。^[2]^:第7章

理論概述

薛丁格貓狀態可以兩個高斯波包代表，可以看到兩者的相干涉項會隨時間指數衰退到零（ $e^{-{\frac {t}{T_{2}}}}$ ；所定時間常數為T₂），而變成兩個獨立不相干的波包單純相加之和。以粒子雙縫實驗來說明，在退相干之前干涉項會造成觀測上見到變動劇烈的亮暗波紋，顯示出粒子亦具有波動特性（見波粒二象性）；退相干之後，剩下兩個獨立的波包相加，猶如宏观下古典物體，比如子彈之連續發射，累積結果為各自通過兩狹縫之和。這也是為什麼目前主流信念採信退相干現象是日常生活世界呈現古典模式的原因之一，另外的理由則和普朗克常數的值很小有關。

起源

環境交互作用

退相干現象，根據當前的看法，主要是因為所关注的「系統」（比如所在意的粒子或各種形式的量子位元）與「環境」——一個大非常多的量子系統——的交互作用會導致相位资讯的喪失（主要會發生量子纏結，quantum entanglement）。當兩者交互作用時，在能量上會出現隨機擾動的熱交換，而相位資訊上就會因隨機擾動而發生退相干，常用的模型是量子布朗運動。若以密度算符表示型寫出「系統」量子態，可以發現退相干所造成的影響就是非對角線元素隨時間變而為零。

觀察者进行量子測量

退相干現象不僅僅是因環境存在所自發而生，當觀察者進行量子測量時，也會發生不同程度的退相干——完全的資訊獲取（投影式測量，projective measurement），會導致完全的退相干；而透過量子非毀壞性測量（quantum non-demolition, QND, measurement）以達部分的資訊獲取，退相干程度上就會是部分的。

量子退相干與量子資訊科學

退相干現象對量子資訊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。我們知道在量子資訊科學中，量子系統的狀態含藏著資訊的意義。量子退相干會使我們所在意的系統出現資訊部份或完全喪失的結果，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資訊傳遞通道（channel），在通道末端的收受者則有收到雜訊及錯誤訊息的可能，需要除錯系統如編碼方法之協助。

量子退相干與人類意識

自量子力學發展，部份物理學家就對於量子力學與人類意識與自由意志的關聯性提出理論方案。後來在量子資訊科學興起後，亦有科學家認為人腦是量子計算機，或者和量子資訊相關效應有某種牽連，其中羅傑·潘洛斯爵士是代表之一，認為大腦意識與微導管中的量子重力效應有關。然而要涉及量子計算，量子退相干便是估算理論可能性的一項指標。在2002年《物理評論E》[1]中估算出量子退相干時間遠短於神經元動作時間，暗示量子資訊在腦部運作過程中應該是無足輕重的。

参考文献

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^ ^2.0 ^2.1 ^2.2 ^2.3 Maximilian A. Schlosshauer. Decoherence And the Quantum-To-Classical Transition. Springer Science & Business Media. 1 January 2007. ISBN 978-3-540-35773-5.
^ Lidar, Daniel A.; Whaley, K. Birgitta. Decoherence-Free Subspaces and Subsystems. Benatti, F.; Floreanini, R. (编). Irreversible Quantum Dynamics. Springer Lecture Notes in Physics 622. Berlin. 2003: 83–120. arXiv:quant-ph/0301032 . Decoherence is the phenomenon of non-unitary dynamics that arises as a consequence of coupling between a system and its environment. 参数|quote=值左起第69位存在換行符 (帮助)

Mario Castagnino, Sebastian Fortin, Roberto Laura and Olimpia Lombardi, A general theoretical framework for decoherence in open and closed systems, Classical and Quantum Gravity, 25, pp. 154002–154013, (2008).

参见

[Schlosshauer-1] 1.0 ^1.1 ^1.2 Schlosshauer, Maximilian. Decoherence, the measurement problem, and interpretations of quantum mechanics. Reviews of Modern Physics. 2005, 76 (4): 1267–1305. Bibcode:2004RvMP...76.1267S. arXiv:quant-ph/0312059 . doi:10.1103/RevModPhys.76.1267.

[Schlosshauer2007-2] 2.0 ^2.1 ^2.2 ^2.3 Maximilian A. Schlosshauer. Decoherence And the Quantum-To-Classical Transition. Springer Science & Business Media. 1 January 2007. ISBN 978-3-540-35773-5.

[Lidar_and_Whaley-3] Lidar, Daniel A.; Whaley, K. Birgitta. Decoherence-Free Subspaces and Subsystems. Benatti, F.; Floreanini, R. (编). Irreversible Quantum Dynamics. Springer Lecture Notes in Physics 622. Berlin. 2003: 83–120. arXiv:quant-ph/0301032 . Decoherence is the phenomenon of non-unitary dynamics that arises as a consequence of coupling between a system and its environment. 参数|quote=值左起第69位存在換行符 (帮助)

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+在開放量子系統裏，處於[[曡加態]]的幾個成分彼此之間的[[量子相干性]]，會因為與外在環境相互作用而隨著時間逐步喪失，這效應稱為'''-{量子退相干}-'''（{{lang-en|'''Quantum decoherence'''}}），又稱為'''-{量子去相干}-'''。量子曡加所產生的[[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）。由於環境擁有幾乎無窮大的[[自由度]]，而且很難適當地操縱環境，因此，一般而言，量子退相干具有[[不可逆性]]。德國物理學者{{le|漢斯．狄特．澤賀|Heinz Dieter Zeh}}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。<ref name="Schlosshauer">{{cite journal |last=Schlosshauer |first=Maximilian |year=2005 |title=Decoherence, the measurement problem, and interpretations of quantum mechanics |journal=[[Reviews of Modern Physics]] |volume=76 |issue=4 |pages=1267–1305 |doi=10.1103/RevModPhys.76.1267 |arxiv = quant-ph/0312059 |bibcode = 2004RvMP...76.1267S }}</ref><ref name=Schlosshauer2007>{{cite book|author=Maximilian A. Schlosshauer|title=Decoherence And the Quantum-To-Classical Transition|date=1 January 2007|publisher=Springer Science & Business Media|isbn=978-3-540-35773-5}}</ref>{{rp|10-12}}
+實際而言，不存在孤立系統，特別是不存在孤立宏觀系統，通過某種方式，每個量子系統都會持續地與外在環境耦合，發生[[量子糾纏]]，從而形成[[量子糾纏|糾纏態]]。因此，量子退相干可以視為存在於量子系統內部的[[相干性]]隨著時間流易而退定域（delocalize）至量子系統與環境所組成的糾纏態，換句話說，量子系統內部的幾個成分，彼此之間的[[相位]]關係，會隨著時間流易而退定域至量子系統與環境所組成的糾纏態，也就是說，量子系統的相位信息會持續地洩露至環境，從而有效地促使伴隨著相干性的干涉現象消失無蹤。只單獨考慮量子系統，其隨著時間流易的演化是呈[[幺正算符|非幺正性]]，雖然量子系統與環境整體隨著時間流易的演化是呈[[幺正算符|幺正性]]。<ref name="Lidar and Whaley">{{cite book |last=Lidar |first=Daniel A. |first2=K. Birgitta |last2=Whaley |chapter=Decoherence-Free Subspaces and Subsystems |title=Irreversible Quantum Dynamics |editor1-first=F. |editor1-last=Benatti |editor2-first=R. |editor2-last=Floreanini |pages=83–120 |series=Springer Lecture Notes in Physics |volume=622 |location=Berlin |year=2003 |arxiv=quant-ph/0301032 |quote= Decoherence is the phenomenon of non-unitary dynamics that arises as
-'''-{量子退相干}-'''（{{lang-en|'''Quantum decoherence'''}}）指的是一量子系統狀態間相互[[波的干涉|干涉]]的性質隨著時間逐步喪失；常舉的例子是「[[薛丁格貓]]」狀態，又稱為'''-{量子去相干}-'''。
+a consequence of coupling between a system and its environment.}}</ref>這樣，量子系統的演化貌似具有[[不可逆性]]。<ref name="Schlosshauer"/>{{rp|12}}<ref name=Schlosshauer2007/>{{rp|68-69}}
+量子退相干能夠解釋為什麼不會觀察到干涉現象，但是，量子退相干能否解釋[[波函數塌縮]]的後果，這論題至今仍舊存在巨大爭議，一個很重要的原因就是，很難將這論題跟量子力學的詮釋做分割，而人們各自有各自青睞的詮釋。量子退相干是一種標準量子力學效應，關於它是否能夠解釋波函數塌縮的後果，存在有很多種觀點，大多數過於樂觀或過於悲觀的觀點，皆可追溯至對於量子退相干運作範圍的誤解。<ref name=Schlosshauer2007/>{{rp|49-50}}
+量子退相干不是一種[[量子力學詮釋]]，而是利用量子力學分析獲得的理論。它嚴格遵守量子力學，並沒有對量子力學的基礎表述做任何修改。很多完成的量子實驗已證實量子退相干的存在與正確性。<ref name="Schlosshauer"/>{{rp|8}}
+在實現[[量子計算機]]方面，量子退相干是一種必須面對的挑戰，因為量子計算機的運作倚賴維持量子相干態的演化不被環境攪擾。簡言之，必需良好維持量子相干態與管控量子退相干，才能夠實際進行量子運算。<ref name=Schlosshauer2007/>{{rp|第7章}}
+==理論概述==
 [[薛丁格貓]]狀態可以兩個[[高斯]][[波包]]代表，可以看到兩者的相干涉項會隨時間指數衰退到零（<math>e^{-\frac{t}{T_2}}</math>；所定時間常數為T<sub>2</sub>），而變成兩個獨立不相干的波包單純相加之和。以[[雙縫實驗#物質波|粒子雙縫實驗]]來說明，在退相干之前干涉項會造成觀測上見到變動劇烈的亮暗波紋，顯示出粒子亦具有波動特性（見[[波粒二象性]]）；退相干之後，剩下兩個獨立的波包相加，猶如[[宏观]]下古典物體，比如子彈之連續發射，累積結果為各自通過兩狹縫之和。這也是為什麼目前主流信念採信退相干現象是日常生活世界呈現古典模式的原因之一，另外的理由則和[[普朗克常數]]的值很小有關。