La decoherencia cuántica se define obviamente como la pérdida de la coherencia cuántica. La ruptura de esa propiedad tan fantástica de la Física Cuántica que hace que los gatos puedan estar vivos y muertos a la vez. La interferencia o superposición de todos los estados posibles de un sistema o partícula en un instante dado.
Cuando un sistema cuántico pierde la coherencia decimos que colapsa, se puede ver, medir, analizar,… Se vuelve clásico. Vive o muere. Cuando un sistema entra en decoherencia, entra por tanto en el reino de la Física Clásica.
Esto es posible ya que definimos la coherencia de un sistema como el estado cuántico en el que el sistema permanece en fase durante un periodo de tiempo.
Debemos recordar que la Física Cuántica se describe mediante funciones de onda. En concreto como soluciones de la Ecuación de Schrödinger. Lo que quiere decir que los diferentes estados o soluciones de dicha ecuación para el conjunto característico del sistema o partícula se diferencian por la fase de su onda y su amplitud.
Coherencia es por tanto el intervalo de tiempo en el que las diferentes ondas se superponen, obteniéndose múltiples valores para un instante de tiempo. Lo que produce la superposición de estados o interferencia. Esta propiedad ondulatoria es la razón de que experimentos como los de Young o Stern y Gerlach sean posibles. En el caso de Young, el estado coherente genera los patrones de interferencia distribuida.
Por contra, la decoherencia es cuando las ondas solo resuelven un valor sin interferencias rompiendo la superposición. Lo que equivale a las dos franjas en el experimento de Young.
También suele definirse como el periodo de tiempo en que un sistema entrelazado (cuántico) pasa ser un sistema no entrelazado (clásico) por interacción con su entorno. Lo que implica que los diferentes sistemas, aun estando todos dentro del régimen cuántico, interaccionan entre si colapsando y rompiendo la indeterminación. Esto suele ocurrir de forma espontánea. De echo, es el gran problema de los ordenadores cuánticos. Evitar la decoherencia de los qubits para no perder la información.
Fenómenos naturales ocurren precisamente por este principio. La dualidad onda-corpúsculo de la luz es el ejemplo más destacado. El tiempo de cambio entre estados es infinitesimal y por esta razón, en el caso de la luz, podemos «apreciar» su estado cuántico y cásico al estudiarla.
La decoherencia es por tanto una de las palabras mágicas del mundo de las fantasías de la Física Cuántica. Difícil de describir y mucho más de imaginar. Suele recurrirse a la probabilística notación de Dirac y a los estados de Hilbert para definirlo junto a la superposición de estados puros y mezcla. Esta notación es una representación que ayuda a trabajar con la superposición de soluciones ondulatorias y suele ser la terminología de las tecnologías cuánticas.
A pesar de la abstracción del fenómeno, la decoherencia es la razón por la que el mundo físico es observable y tangible, no como el Gato de Schrödinger o el «país de cuántos«. Es la pieza que hace encajar la Física Clásica, las leyes, ecuaciones y fenómenos que describen la Naturaleza que nos rodea, y la Física Cuántica que esconde grandes misterios y muchas promesas.
Esta es la razón por la que muchos científicos han dedicado sus esfuerzos en entender y formalizar la decoherencia. Desde que Einstein, Bohr y compañía, en el inicio del estudio de la cuantización de la física, observaran el problema con la medición en los experimentos, la definición de este concepto ha evolucionado enormemente. Ya que la idea de que el proceso de medición de un evento interfiriera en dicho evento variando el resultado, no encajaba en el concepto clásico de aquellos días. Por mucho que la interpretación de Copenhague intentara poner los puntos sobres las ies. Esta ruptura de pensamiento dio paso a terribles debates.
Unos años más tarde, terminando los 50, Hugh Everett teorizó sobre una decoherencia producida por universos múltiples que colapsaban sus funciones de onda compleja de forma que algunas «desaparecían». La particularidad de la teoría de Everett era que esa desaparición en realidad era un desplazamiento a mundos paralelos no observables. Esta teoría pasó ignorada hasta que en los años 70 B. DeWitt y N. Graham la rescataron de una forma menos de ciencia ficción. Postularon que los estados superpuestos perdidos se filtraban hacia el Universo a través de los aparatos de medida. Por lo que la medición alteraba la incertidumbre y la entropía del sistema y del Universo.
En la teoría moderna, el colapso de la superposición se describe en términos de probabilidad, y los estados perdidos son estadísticamente filtrados por dichas funciones.
Sigue habiendo muchas zonas oscuras sobre este fenómeno. Y con aplicaciones no solo en física sino también en química o biología, la comprensión de la decoherencia nos permitiría dar un gran paso en la comprensión del Universo tanto macroscópico como microscópico y en la capacidad de manipularlo. Por eso siguen apareciendo estudios sobre su medida o sus efectos como los que puedes encontrar entre las referencias. Sobre todo en relación con los ordenadores cuánticos.
Referencias:
- http://dia.austral.edu.ar/Decoherencia_cu%C3%A1ntica#:~:text=La%20decoherencia%20cu%C3%A1ntica%20es%20el,cu%C3%A1ntica%2C%20el%20principio%20de%20superposici%C3%B3n.
- https://francis.naukas.com/2014/01/27/zeh-decoherencia/
- https://www.agenciasinc.es/Noticias/Un-metodo-experimental-mide-la-coherencia-cuantica
- https://www.xataka.com/investigacion/mit-ha-logrado-algo-crucial-que-ordenadores-cuanticos-mantengan-efectos-cuanticos-tiempo
- Récord de distancia de entrelazamiento de partículas
- Fotografía de la «acción» en un entrelazamiento.
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