Decoerenza quantistica: differenze tra le versioni

Versione delle 22:43, 14 apr 2019

Versione attuale delle 11:24, 18 lug 2023

(11 versioni intermedie di 6 utenti non mostrate)

Riga 1:

La teoria della '''decoerenza quantistica''', o '''desincronizzazione della funzione d'onda''', afferma che l'interazione irreversibile (in senso [[Termodinamica|termodinamico]]) fra i [[Stato quantico|sistemi quantistici]] e l'ambiente esterno determina la perdita della [[Sovrapposizione coerente|coerenza]] della [[funzione d'onda]].

Tale fenomeno impedirebbe l'esistenzaosservazione di una [[Principio di sovrapposizione|sovrapposizione di stati]] per i sistemi macroscopici, e sarebbefornendo allun'origineinterpretazione del [[collasso della funzione d'onda]] che avvienenon nelnecessita processodell'interazione tra sistema quantistico e apparato di misura secondoclassico lpostulata dall'[[Interpretazione di Copenaghen]] della [[meccanica quantistica]].

==Teoria==

In [[fisica]] le [[Particella (fisica)|particelle]] vengono usualmente descritte mediante una [[funzione d'onda]] che evolve nel tempo secondo l'[[equazione di Schrödinger]]. In particolare il [[principio di sovrapposizione (meccanica quantistica)|principio di sovrapposizione]] gioca un ruolo fondamentale nella spiegazione di tutti i fenomeni di [[Interferenza (fisica)|interferenza]] osservati. Tuttavia questo comportamento è in contrasto con la [[meccanica classica]]; a livello macroscopico infatti non è possibile osservare una sovrapposizione di stati distinti. Un esempio ben noto è fornito dal [[paradosso del gatto di Schrödinger]]: un essere vivente non può essere contemporaneamente vivo e morto.

Sorge quindi una domanda: esiste una separazione tra regime quantistico e regime classico? L'[[interpretazione di Copenaghen]] suggerisce una risposta controintuitiva: solo effettuare una misura su un sistema quantistico distrugge la sovrapposizione, rendendolo "classico". Il meccanismo responsabile di questo fenomeno, introdotto da [[John Von Neumann|Von Neumann]], prende il nome di [[collasso della funzione d'onda]].

Tuttavia, se esiste un confine tra mondo quantistico e classico, non è affatto chiaro ''dove'' vada tracciato, né ''perché'' esista: il collasso della funzione d'onda viene solo postulato, ma non spiegato. Questi problemi vengono affrontati dalla ''teoria della decoerenza'', la cui idea di base è la seguente: le leggi della meccanica quantistica, a partire dall'equazione di Schrödinger, si applicano a sistemi ''"isolati''", in linea di principio anche a quelli macroscopici. Quando un sistema quantistico non è isolato dall'esterno, ad esempio durante una misura, esso diventa [[Entanglement quantistico|entangled]] con l'ambiente (trattato anch'esso quantisticamente); questo fatto secondo la teoria ha conseguenze cruciali sul mantenimento della coerenza.

In particolare, se il sistema viene preparato in una [[sovrapposizione coerente]] di stati, l'entanglement con l'ambiente porta alla perdita di coerenza tra le differenti parti della funzione d'onda che corrispondono agli stati sovrapposti. Il sistema ha una transizione spontanea dallo stato coerente a quello decoerente, in cui non è più in una sovrapposizione di stati, bensì in una [[miscela statistica]]. Il decadimento esponenziale della coerenza è regolato da una vita media (''tempo di decoerenza'' <math>\tau</math>) caratteristica per quel sistema specifico:

:<math> C(t) = C_o \, e^{-t/\tau}. </math>

Un singolo [[quantone]] (fotone, elettrone...) immerso nell'ambiente ha un tempo di decoerenza <math>\tau_q</math> molto lungo, e quindi si trova tipicamente in uno stato coerente. Un sistema formato da <math>n</math> quantoni ha tempo di decoerenza <math>\tau_s</math> dato da

:<math>\tau_s = \frac{\tau_q}{n} </math>

Il tempo di coerenza di un sistema composto scala quindi col numero <math>n</math> dei componenti.

Secondo la teoria della decoerenza,<ref>W. Zurek: [httphttps://arxiv.org/pdf/quantph/0306072.pdf ''Decoherence and the Transition from Quantum to Classical—Revisited''], Los Alamos Science Number 27 (2002).</ref> la differenza tra sistemi microscopici e macroscopici sta nel fatto che se i primi si possono isolare bene dall'esterno (cioè la coerenza si mantiene facilmente per un tempo sufficientemente "lungo"), lo stesso non si può dire per i secondi, per i quali invece si deve inevitabilmente tener conto dell'interazione con l'ambiente. Di conseguenza è praticamente impossibile osservare sovrapposizioni di stati macroscopicamente distinti (come nel caso del gatto di Schrödinger) perché, se anche si riuscisse a prepararli (cosa in sé difficile, ma non vietata dalla teoria), avrebbero una vita media troppo breve per essere misurata sperimentalmente. Con un numero di componenti del sistema dell'ordine del [[numero di Avogadro]] il tempo di decoerenza risulta dell'ordine di <math> 10^{-28} \, s</math>.

La decoerenza quantistica prescinde quindi dall'osservatore e dal processo di misura in un certo qual modo precedendolo e simulando il [[collasso della funzione d'onda]]. In particolare il "collasso" produce la transizione da uno stato coerente a uno incoerente, in cui i termini fuori diagonale della [[Operatore densità|matrice densità]] sono nulli; la decoerenza causa invece una transizione spontanea da uno stato coerente ad uno ''decoerente'', in cui i termini fuori diagonale della matrice densità sono asintoticamente infinitesimi.

==Esempio numerico==

==Esempio numerico==

Possiamo dare almeno un'idea dell'ordine di grandezza del tempo di decoerenza per un sistema macroscopico. Consideriamo un [[pendolo]] di lunghezza 1 m e massa 1 g, che all'istante iniziale si trova a distanza 1 µm dal punto di equilibrio. Supponiamo che il pendolo sia in una sovrapposizione di [[stato coerente|stati coerenti]] <math>\textstyle |\alpha \rangle + |-\alpha \rangle</math>, che classicamente corrispondono al moto nei due versi possibili. Essendo il valor medio della posizione

Riga 38 ⟶ 41:

==Verifiche sperimentali==

Le verifiche sperimentali di questo fenomeno sono possibili studiando sistemi ''mesoscopici'' (a volte soprannominati "gattini di Schrödinger"<ref>J. Gribbin: ''Schrodinger's Kittens and the Search for Reality: Solving the Quantum Mysteries'', Back Bay Books (1996).</ref>), cioè formato da pochi quantoni. Esistono ormai diverse osservazioni sperimentali che dimostrano come un accoppiamento tra un sistema quantistico e un sistema mesoscopico porti alla decoerenza in tempi brevi ma apprezzabili.<ref>M. Schlosshauer, [http://faculty.up.edu/schlosshauer/publications/DecoherenceExperimentsSchlosshauer.pdf ''Experimental observation of decoherence''], in ''Compendium of Quantum Physics: Concepts, Experiments, History and Philosophy'', edited by D. Greenberger, K. Hentschel, and F. Weinert, pp. 223–229 (Springer: Berlin/Heidelberg, 2009)</ref>

Esistono diversi gruppi di ricerca che si sono occupati, e si occupano tuttora, della teoria della decoerenza a livello sperimentale.

Presso l'Università di [http://www.cqed.org/ Parigi] viene seguita la linea di ricerca sugli atomi intrappolati in [[cavità risonante|cavità risonanti]]. Un esperimento storicamente importante, che ha costituito una delle prime verifiche della teoria, è stato svolto osservando la decoerenza di un piccolo campo coerente di fotoni accoppiato ad un atomo di Rydberg.<ref>{{cita pubblicazione |cognome= Brune, Haroche, et al. |nome= |anno= 1996 |mese=settembre|titolo= Observing the Progressive Decoherence of the "Meter" in a Quantum Measurement |rivista= Phys. Rev. Lett. |volume= 77|numero= 24|pp= 4887-4990|url= httphttps://prl.aps.org/abstract/PRL/v77/i24/p4887_1|lingua= inglese|abstract=si }}</ref>.

Un altro approccio, seguito da ricercatori di [http://www.quantum.at/research/molecule-interferometry-foundations.html Vienna] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20110821013856/http://www.quantum.at/research/molecule-interferometry-foundations.html |date=21 agosto 2011 }}, si basa sull'interferometria di molecole "grandi", come i [[fullerene|fullereni]].<ref>{{cita pubblicazione |cognome= Zeilinger et al.|nome= |anno=2003 |mese=marzo|titolo=Collisional decoherence observed in matter wave interferometry |rivista=Phys. Rev. Lett. |volume=90 |url=httphttps://arxiv.org/abs/quant-ph/0303093 |lingua=inglese }}</ref>.

Un lavoro di ricercatori di [https://uni-tuebingen.de/en/faculties/faculty-of-science/departments/physics/institutes/physikalisches-institut/bereiche/atomphysikquantenoptik/quantum-electron-ion-interferometry/ Tubinga] {{collegamento interrottoWebarchive|1url=[httphttps://wwwweb.archive.org/web/20190729171701/https://uni-tuebingen.de/en/faculties/mathematicsfaculty-andof-science/departments/physics/institutes/angewandtephysikalisches-physik.html Tubinga]institut/bereiche/atomphysikquantenoptik/quantum-electron-ion-interferometry/ |date=febbraio29 2018luglio |bot=InternetArchiveBot2019 }} ha mostrato (anche visivamente) la decoerenza di elettroni liberi causata dall'interazione coulombiana con l'ambiente.<ref>{{cita pubblicazione |cognome= Sonnentag, Hasselbach|nome= |anno= 2007|mese=maggio|titolo= Measurement of Decoherence of Electron Waves and Visualization of the Quantum-Classical Transition |rivista= Phys. Rev. Lett. |volume= 98|numero= 20|url= httphttps://prl.aps.org/abstract/PRL/v98/i20/e200402|lingua= inglese|abstract=si }}</ref>.

I fisici [[Serge Haroche]] e [[David Wineland]] hanno ricevuto il [[Premio Nobel per la Fisica]] nel [[2012]] per i loro contributi alla "misurazione e manipolazione dei sistemi quantistici individuali".<ref>{{cita web|url=httphttps://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2012/press.html|titolo=The 2012 Nobel Prize in Physics - Press Release|accesso=12 ottobre 2012|lingua=en|editore=nobelprize.org}}</ref>.

==Note==

Riga 61 ⟶ 63:

*[[Collasso della funzione d'onda]]

*[[Paradosso del gatto di Schrödinger]]

== Altri progetti ==

{{interprogetto|preposizione=sulla}}

{{Meccanica quantistica}}