Esta es una traducción de un artículo de Eliezer Yudkovsky de un ciclo científico popular dedicado a la interpretación multivariante de la mecánica cuántica. El comienzo del ciclo se tradujo en un centro , pero luego el traductor aparentemente se cansó. Se puede entender: el material es muy voluminoso. A Yudkovsky le encanta difundir el pensamiento en el árbol. Por otro lado, el material es realmente complejo, y la repetición de la misma cosa en diferentes palabras permite que la imagen en la cabeza de un lector no preparado se mantenga al menos de alguna manera. No me comprometeré a continuar la traducción de todo el ciclo, pero intentaré traducir algunos de los artículos más importantes.

Me saltearé artículos de la serie sobre espacios de estado ( clásico y cuántico ): el concepto se usa mucho donde y debería ser familiar para un lector técnicamente capacitado. Y también omita las integrales de ruta de Feynman : se pueden encontrar en la excelente fuente de ciencia popular.

Pero el próximo post responde una pregunta importante. Si el mundo "real" en el nivel fundamental es cuántico, donde todo está confundido y todo se afecta, ¿de dónde vienen los sistemas clásicos? ¿Por qué vemos fenómenos cuánticos "naturales" tan raramente en la vida ordinaria? Esto es lo que el autor llama "alucinación clásica". ¿Por qué, por ejemplo, los creadores de computadoras cuánticas necesitan hacer esfuerzos tan tremendos para mantener el sistema en un estado "natural" enredado?

Descargo de responsabilidad: no soy un físico profesional ni un traductor profesional (además del autor del original).

Decoherencia

Para comprender un proceso cuántico llamado "decoherencia", primero debe comprender cómo se destruye un estado especial de independencia cuántica, es decir, cómo exactamente un sistema cuántico pasa de un estado de independencia a un estado de enredo.

La independencia cuántica, como recordamos , es un estado especial, "rectangular" de distribución de amplitud que está bien factorizado. Es decir, se puede representar como el producto de las distribuciones de las partes constituyentes del sistema, que para nosotros parecen "partículas separadas".

Los turistas tímidos que visitan nuestro mundo cuántico a veces toman la ausencia de una distribución tan "rectangular" para alguna conexión misteriosa especial entre partículas. De ahí el desafortunado término "enredo cuántico". De hecho, cualquier evolución de un sistema cuántico generalmente genera enredos desde la independencia (y no viceversa), convirtiendo las distribuciones rectangulares en no rectangulares. La independencia es rara y muy fácil de destruir.

Para comprender mejor exactamente qué procesos físicos conducen a enredos, comenzamos con el sistema clásico. La figura muestra un sistema de una bola ligera cargada positivamente en la pista superior y una bola pesada cargada negativamente en la pista inferior. Inicialmente, dos bolas están muy separadas y casi no interactúan. Luego bajamos el camino superior, juntando las bolas para que comiencen a atraerse entre sí (se atraen cargas opuestas). Y una bola liviana se convierte en una pesada (y una bola pesada se enrolla un poco a una liviana, así como una manzana que cae atrae la Tierra ligeramente hacia sí misma).

Ahora veamos este sistema como cuántico, desde el punto de vista de las integrales de ruta de Feynman . Es decir, representamos la evolución del sistema como la suma de todas las trayectorias posibles desde el estado inicial en el espacio de configuración. Supongamos que dos bolas son inicialmente cuánticamente independientes, su distribución conjunta de amplitudes se puede representar como el producto de "distribución para la bola inferior" y "distribución para la bola superior".

Además, dejemos que la amplitud de la bola inferior al principio consista en tres partes (que desde el punto de vista de las integrales de Feynman se pueden considerar como tres estados iniciales). Cuando bajamos la pista superior, la bola superior debe ser arrastrada hacia la inferior. Pero si la amplitud conjunta de la bola inferior consta de varias partes, al final obtendremos una distribución conjunta que consta de varias partes, cada una de las cuales describe la nueva posición de las bolas.

Estoy haciendo todo lo posible para evitar palabras tales como "la bola inferior puede estar en uno de los tres lugares" o "en cada caso posible, la bola superior es atraída a la posición correspondiente de la inferior". Aunque probablemente todavía imagines todo de esa manera. Al final, yo mismo he ilustrado esto. Dibujé tres posibles posiciones iniciales y tres posibles resultados. Qué hacer, el cerebro humano generalmente imagina integrales de Feynman. Pero esto no significa que haya tres posibles estados del universo . Esto es solo un truco para visualizar la ruta integral. Los tres componentes de la amplitud existen en nuestro universo, los tres son igualmente reales , pero no son posibles ni probables .

Ahora imagine que al principio la amplitud de la bola inferior está "manchada" en toda la pista. La amplitud de la bola superior todavía se concentra en un lugar. Luego, la distribución conjunta inicialmente tendrá la forma de un rectángulo alargado y luego se convertirá en diagonal.

En el eje X, aquí está la posición de la bola superior, en el eje Y, la inferior. Comenzamos con una bola superior localizada con precisión y una bola inferior "borrosa" y terminamos con una distribución interdependiente cuando ambas coordenadas son borrosas pero iguales entre sí (simplificadas). Es decir, la distribución inicialmente factorizable se convirtió en un "sistema confuso": ya no se descompone en dos factores independientes.

(Aviso importante:

Tenga en cuenta que en la figura anterior, el desarrollo del sistema obedece a la segunda ley de la termodinámica , también conocido como el teorema de Liouville. Cuando el sistema cambia, se conserva el "tamaño de la nube", es decir, el volumen total de la amplitud, o más simplemente, el tamaño del área gris en el gráfico . Si al principio de la figura había un enorme cuadrado gris claro (cuando ambas partículas están muy manchadas en el espacio), entonces, según la segunda ley de la termodinámica, no podría convertirse en una diagonal gris oscuro. Para entrar en un estado de enredo, el sistema inicialmente debería tener baja entropía, y esta entropía no debería aumentar mucho en el proceso.

Permíteme recordarte que la información mutua es entropía con el signo opuesto . Las amplitudes cuánticas no son enteramente información , pero el principio es el mismo. La amplitud inicial debe concentrarse lo suficiente como para producir una línea diagonal compacta, en lugar de una gran nube enrarecida. Si imaginamos que la distribución de amplitud tiene "entropía cuántica", entonces la entropía del sistema enredado debería ser relativamente baja)

Finalmente, estamos listos para hablar sobre decoherencia.

El sistema en la figura es bastante complicado. Se puede describir algo como esto: "hay dos partículas, y ambas pueden estar aquí o allá ". Sí, lo formulé como si hubiera dos estados posibles, y no una distribución física real de la amplitud. En serio, ¡no sé cómo describir la física cuántica en un lenguaje ordinario de una manera normal! Solo recuerde la regla general de que "oportunidad" o "probabilidad" es una abreviatura de "distribución de amplitud de amplitud físicamente existente". Entonces puedo describir las amplitudes mucho más cortas usando los términos de incertidumbres. ¡Pero recuerda que esto es solo una convención ! “Una partícula está aquí o allá” significa “una distribución físicamente existente de la amplitud de dos partes, una aquí, una allá”, y no “la partícula está en uno de dos lugares, pero no sabemos cuál”.

Entonces Trabajar con sistemas complejos suele ser difícil (para los físicos, por supuesto, no para el universo). Primero, debemos calcular todas las trayectorias posibles para todas las condiciones iniciales posibles (es decir, tener en cuenta todas las trayectorias de amplitud físicamente existentes en la integral de Feynman). Además, es necesario tener en cuenta la influencia de estas trayectorias entre sí (las trayectorias probables en sentido estricto no pueden interactuar; solo algo realmente existente puede influir en otra cosa). Por ejemplo, nuestras dos partículas se encuentran con otras 20 más, interactúan de alguna manera, y como resultado obtenemos un montón de configuraciones que se vieron afectadas por todos los puntos anteriores de todos los estados posibles.

Tenga en cuenta que el enredo solo ocurre si las secciones de la amplitud inicial están cerca una de la otra. Para que sus caminos de desarrollo puedan cruzarse. Si dos partículas están aquí o allá , pero "aquí" y "allí" están separados por una distancia de dos años luz, entonces sus trayectorias adicionales pueden cruzarse no antes de un año después.

Ahora agrega la tercera partícula. La figura muestra un espacio de configuración tridimensional, que se descompone en subespacios bidimensionales y unidimensionales independientes. Es decir, dos partículas enredadas y una independiente de ellas.

La altura es la tercera partícula, el ancho y la profundidad son dos partículas enredadas.

Una partícula independiente está en un lugar determinado: la distribución vertical es muy estrecha. Dos partículas enredadas están aquí o allá (nuevamente uso términos probabilísticos incorrectos, como "específico" y "cualquiera", pero entiendes lo que quiero decir).

Imagine ahora que la tercera partícula reacciona con los dos enredados de una manera que es sensible a su posición. Por ejemplo, la tercera partícula se balancea en un pico agudo, dos partículas pasan volando, la atraen y cae de una manera u otra. Después de eso, la amplitud se parece a esto.

La tercera partícula ahora se confunde con las otras dos. Y la amplitud ahora consiste en dos piezas separadas entre sí . Descripción simplificada: “si dos partículas estuvieran aquí , entonces la tercera partícula voló aquí . Y si estaban allí , entonces ella voló allí . Es decir, la amplitud se ha vuelto completamente confusa. Ya no se descompone en subespacios independientes.

Pero dos piezas de amplitud están ahora más separadas , y cada una consta de tres partículas en la región correspondiente. Esto sucedió porque la tercera partícula es sensible a la coordenada de otras. Después de rodar desde un pico agudo a uno de los dos lados, la distancia entre las coordenadas finales es bastante grande.

De hecho, rodar hacia abajo desde la parte superior es opcional. Todo funciona de la misma manera si tiene veinte partículas que reaccionan a las dos primeras y se confunden con ellas. La distribución final en el espacio de 22 dimensiones se verá como dos áreas, cada una de las cuales corresponde a 22 partículas. Y la distancia entre estas áreas será enorme. Y cuanto mayor es la distancia, menos probable es que las áreas en el futuro se afecten entre sí.
Esto es decoherencia. Es la tercera causa de la "alucinación clásica", porque las dos áreas comienzan a desarrollarse independientemente. Esto les permite ser descritos como sistemas no intrincados. Tan pronto como los consideremos por separado, la distribución en cada uno de ellos se ve "rectangular" e independientemente en tres coordenadas (intenté mostrar esto en la figura anterior).

En una computadora cuántica, es muy difícil evitar la decoherencia. La computación cuántica requiere que las secciones de amplitud permanezcan cercanas entre sí y puedan interactuar. Pero hay billones de otras partículas alrededor que constantemente intentan reaccionar inadvertidamente con nuestros frágiles qubits, destruyendo la amplitud construida con precisión.

Y no puedes simplemente tomar y restaurar lo destruido. Para hacer esto, es necesario devolver al lugar todas las partículas reaccionadas, incluidas las partículas aleatorias del entorno (no se olvide, la amplitud final tiene una distribución conjunta con ellas).

(Parece un proceso casi irreversible, ¿verdad? Es como tratar de recoger un huevo roto en la cáscara. De hecho, esta es una buena analogía.

Es por eso que enfaticé antes que el proceso de enredo comienza con baja entropía. La decoherencia es irreversible porque es esencialmente un proceso termodinámico.

Uno de los principios físicos fundamentales establece que puede "retroceder la película" sin violar las leyes fundamentales. Si filma un huevo que cae en el piso y luego lo rueda hacia atrás, de modo que un huevo roto vuela desde el piso, reuniéndose nuevamente en una cáscara lisa, no verá ninguna ley física violada. Todas las moléculas simplemente estarán en el lugar correcto en el momento correcto, y el huevo rebotará del piso sano y salvo. Esto no es imposible, solo extremadamente improbable.

Lo mismo se aplica a la amplitud dividida en partes remotas, que inesperadamente regresa a un estado coherente; esto es teóricamente posible. Pero prácticamente no hay posibilidad de que las piezas que se desconectaron inicialmente se encuentren simultáneamente una al lado de la otra. El proceso inverso es mucho más probable.

De hecho, además de desplazar la película hacia atrás, también debe invertir las cargas de todas las partículas, así como intercambiar la izquierda y la derecha (o una de las otras dos dimensiones), convirtiendo el universo en una imagen especular de la misma. Esta regla se conoce como "invariancia CPT" de las palabras Carga, Paridad y Tiempo.

Lo más probable es que la invariancia CPT sea uno de los principios más básicos del funcionamiento del universo. Para los físicos, los intentos de romperlo parecen casi tan absurdos como intentar lanzar una pelota más rápido que la velocidad de la luz. Hasta donde yo sé, la invariancia CPT es necesaria para la coherencia de la teoría cuántica de campos.

Por lo tanto, la decoherencia solo parece un proceso unidireccional, pero en realidad su irreversibilidad es termodinámica, no fundamental. Y esto es muy importante, porque de esto se deduce que la física cuántica observa la invariancia CPT.

Hasta donde sabemos, absolutamente todos los procesos unidireccionales en la naturaleza son una consecuencia de la segunda ley de la termodinámica, y no la asimetría fundamental del tiempo).

Para resumir. La decoherencia es un proceso termodinámico de un enredo cuántico cada vez mayor, que sorprendentemente se disfraza como un proceso de destrucción de este enredo. Las áreas decoherentes no interactúan entre sí, y cada una de ellas se vuelve menos confusa . La decoherencia es la tercera razón de la "alucinación clásica". Permite a los físicos considerar cada campo como independiente, sin tener en cuenta la escasa probabilidad de su interacción. Además, cada área individual se vuelve más fácil de entender dentro . Esto es muy útil si desea resolver problemas en términos de física clásica simple. Y es muy inapropiado si desea factorizar un número de un millón de dígitos antes de que salga el sol.