Физические особенности перехода от микро- к наноустройствам

Переход меж “квантовым миром” и “традиционным миром” завлекает пристальное внимание ученых. Естественно, особый энтузиазм представляет возможность экспериментального исследования подобного перехода для микроскопичных систем.

Принципное отличие квантовой системы от традиционной заключается в том, что измерение, проведенное над традиционной системой, в принципе может не оказать никакого воздействия на ее состояние, в то время как в случае квантовой системы это не так. Чтоб осознать, каким образом измерение оказывает влияние на квантовую систему, нужно вспомнить ряд фактов. Как понятно, описание квантовой системы при помощи волновой функции может быть не всегда, а только для так именуемых незапятнанных состояний, когда состояние системы можно представить в виде линейной суперпозиции неких базовых состояний.

Кроме незапятнанных состояний есть так именуемые смешанные состояния, которые описываются при помощи матрицы плотности, а не при помощи волновой функции (последнее описание для смешанных состояний нереально). Это более общий метод описания квантовомеханической системы; для незапятнанного состояния, естественно, также можно записать матрицу плотности, она будет отличаться от матрицы плотности смешанного состояния наличием дополнительных (интерференционных) членов.

Процесс измерения представляет собой взаимодействие квантовой системы с “традиционным прибором”. Формально мы можем представить традиционный прибор как квантовый объект, тогда в итоге взаимодействия состояния квантового объекта и традиционного прибора; система “квантовый объект” + “традиционный прибор” находится в чистом состоянии. Нас, но, интересует только состояние квантового объекта, и, в любом случае, мы не способны стопроцентно держать под контролем состояние традиционного прибора. Состояние квантового объекта описывается в данном случае так именуемой редуцированной матрицей плотности, и, в отличие от состояния системы “квантовый объект” + “традиционный прибор”, уже является смешанным. Таким макаром, первоначальное квантовое состояние объекта оказывается “разрушенным” (молвят, что в процессе измерения происходит “редукция (коллапс) волновой функции”). Заметим, что смешанные состояния являются на самом деле “традиционными” — система может быть с определенной вероятностью найдена в одном из состояний, но никак не в нескольких состояниях сходу.

Не употребляя слов “прибор” и “измерение”, можно сказать о том же самом чуть по другому. При содействии квантовой системы с окружением происходит утрата фазовой когерентности состояния — декогерентизация. Этому соответствует исчезновение интерференционных членов в матрице плотности (незапятнанное состояние преобразуется в смешанное). На этом языке то, что при измерении (содействии традиционного прибора и квантовой системы) мы с определенной вероятностью обнаруживаем квантовую систему в одном из базовых состояний, обосновано потерей когерентности квантовой системы при содействии с прибором.

Таким макаром, мы лицезреем глубокую связь понятий “измерение» и “декогерентизация», также связь перехода от квантового поведения к традиционному с явлением декогерентизации. Не надо мыслить, что исследование схожих вопросов носит чисто теоретический нрав, в последние годы идет и экспериментальное исследование роли декогерентизации в квантовых измерениях. Не считая того, пристальное внимание к явлению декогерентизации в квантовых системах привлечено также, к примеру, в связи с неувязкой сотворения квантовых компов — требуется обеспечить как можно огромные времена когерентности (условно говоря — времена жизни незапятнанных квантовых состояний) задействованных в квантовых вычислениях состояний.