(Начало в №7)

I. Предыстория

7. Однако к 80-м годам прошлого столетия было открыто и еще одно интересное свойство квантовых систем, которое получило название декогеренция. Оно заключается в образовании необратимых квантовых корреляций некоторой квантовой системы с ее окружением (средой). Некоторые авторы (Д. Цее) определяют декогеренцию как "динамическую дислокализацию квантово-механических суперпозиций". Она возникает в результате образования запутывания состояний некоторой квантовой системы с состояниями другой системы, являющейся для первой средой. Причем во многих случаях число степеней свободы этой среды оказывается в принципе неопределимым, из-за чего декогеренция происходит очень быстро и имеет необратимый характер. Поскольку декогеренция возникает как результат запутывания состояний системы с состояниями среды, а способность к запутыванию является "врожденным" свойством любой квантовой системы, то декогеренция является следствием запутывания, т.е. исключительно квантово-механическим процессом, не имеющим классических аналогов, хотя в качестве среды с большим числом степеней свободы чаще всего оказываются макросистемы.

Исторически появление представлений о декогеренции связано с попытками решения проблемы измерений и восходит к работам Дитера Цее 1970 года (Zeh H. Dieter. On the Interpretation of Measurement in Quantum Theory // Foundation of Physics. 1970. Vol. 1. No. 1. P. 69-76.) и Войцеха Зурека (Zurek W. H. Pointer basis of quantum apparatus: Into what mixture does the wavepacket collapse? // Physical Review. 1981. Vol. D24. No. 6. P. 1516-1525; Zurek W. H. Environment-induced superselection rules // Physical Review. 1982. Vol. D26. No. 8. P. 1862-1880).

Парадоксальность измерения в квантовой механике заключается в том, что базовое уравнение этой теории - уравнение Шредингера - корректно описывает эволюцию изолированной квантовой системы, которая в силу линейности самого уравнения может находиться в суперпозиции альтернативных состояний, а вот процесс измерения, который всегда приводит к реализации какой-то одной из этих альтернатив, аппаратом квантовой теории не описывается. Такая ситуация многим казалась неудовлетворительной, так как нарушала логическую стройность теории. Для объяснения того, что же происходит в момент измерения, в рамках копенгагенской интерпретации квантовой механики была предложена контринтуитивная идея редукции (или коллапса) волновой функции системы (Джон фон Нейман, 1932; о нем см. "КВ" №41'2002). Контринтуитивность коллапса волновой функции наиболее ярко проявляется в ситуации измерения пространственного положения квантового объекта. Дело выглядит так, как если бы первоначально делокализованная частица в момент измерения мгновенно стягивалась бы в какое-то одно из альтернативных положений. К тому же, в теории фон Неймана предполагалось активное участие сознания наблюдателя в инициации самой редукции. Однако идея редукции волнового пакета вполне вписывалась в аппарат квантовой механики, а практика конкретных вычислений вполне уживалась с этой идеей.

Тем не менее, многих физиков такая ситуация вовсе не удовлетворяла. И любопытно отметить, что именно в 1957 году, когда умер автор идеи редукции Дж. фон Нейман, появилась альтернативная интерпретация Х. Эверетта III, которая позднее получила наименование "многомировой" (см. "КВ" № 1'2003 и №№ 7, 8'2007). В этой интерпретации волновой функции придавался вполне объективный статус и предполагалось, что реализуются все альтернативы, но только в разных (параллельных) ветвях единого квантового мира, так что наблюдателю всегда оказывается доступной только одна из альтернатив. О коллапсе или редукции тут речи вообще не могло идти. Однако теория Эверетта вызывала множество совсем уж фантастических ассоциаций и долгое время вообще не воспринималась физическим сообществом.

С созданием теории декогеренции появилась иная возможность объяснить эвереттовское ветвление. В силу запутывания состояния квантовой системы со степенями свободы среды суперпозиция как бы расщепляется на делокализованные компоненты, так что, как и в теории Эверетта, реализуются все альтернативы, только неизмеримые из них оказываются записанными в состояниях среды и в общем случае не поддаются восстановлению. Процесс измерения, таким образом, может описываться в терминах запутывания состояний измеряемой системы и измерительного прибора, т.е. как процесс чисто квантово-механический.

Теория декогеренции укрепила уверенность физиков в том, что квантовая механика является наиболее фундаментальной теорией, и в последующие годы вызвала огромный интерес. Так, появилась надежда описать вообще всю физику чисто в квантовых терминах, в частности, классическое поведение макрообъектов¹. Кроме того, были предприняты интересные попытки применить теорию декогеренции для решения одной из космологических загадок, а именно - явного наличия "стрелы времени" (т.е. его однонаправленного течения от прошлого к будущему) при временной обратимости основных физических законов². В 1996 году был выполнен первый эксперимент, в котором наблюдалось явление декогеренции (Brune M., Hagley E., Dreyer J., Maоtre X., Maali A., Wunderlich C., Raimond J. M., Haroche S. Observing the Progressive Decoherence of the "Meter" in a Quantum Measurement // Physical Review Letters. 1996. Vol. 77. No. 24. P. 4887-4890).

Однако исследования по декогеренции значительно умерили энтузиазм разработчиков квантового компьютера. Так, выяснилось, что один и тот же процесс (запутывание), который необходим для связывания кюбитов в квантовом компьютере для производства вычислений, эту же связь и нарушает, превращая кюбиты в обычные биты, причем тем быстрее, чем больше кюбитов оказывается задействованными для вычисления. Стало понятно, что любой квантовый компьютер может решать только те задачи, время вычисления для которых будет меньше времени декогеренции при необходимом для вычисления числе задействованных кюбитов. Пока удалось создать системы, оперирующие менее чем десятком кюбитов, и эти системы в принципе не масштабируемы. Когда будут построены вычислительные устройства с несколькими десятками кюбитов, прогнозировать сложно. Скорее всего, они будут созданы. Хитроумным физикам удастся обмануть природу. Однако избавиться от декогеренции вовсе, похоже, никогда не удастся.

(Продолжение следует)

Сергей САНЬКО

1 См., например: Joos E., Zeh H.D. The emergence of classical properties through interaction with the environment // Zeitschrift fьr Physik. B - Condensed Matter. 1985. Bd. 59. S. 223-243. Электронная копия доступна на www.rzuser.uni-heidelberg.de/~as3/J+Z.pdf; Zurek W. H. Decoherence and the Transition from Quantum to Classical // Physics Today. 1991. Vol. 44. P. 36-44. Обновленная электронная версия доступна на www.arxiv.org/abs/quant-ph/0306072.

2 Многие работы можно найти на www.zeh-hd.de.