Decoherence làm mất tính lượng tử thế nào?

• Có giao thoa: vạch rõ
• Sau decoherence: vạch mờ

Bạn sẽ học được gì

• Nêu decoherence là gì bằng lời đơn giản.
• Giải thích vì sao tương tác với môi trường làm mất giao thoa.
• Nói được vì sao qubit cần được bảo vệ khỏi nhiễu.

Cần biết trước

Nên đọc trước bài Chồng chập lượng tử là gì?. Các từ khác được giải thích ngay trong bài.

Decoherence là gì?

Decoherence là sự triệt tiêu giao thoa lượng tử. Theo Bách khoa toàn thư Triết học Stanford, hiện tượng giao thoa là một khía cạnh nổi tiếng và then chốt của cơ học lượng tử, điển hình là thí nghiệm hai khe. Tuy vậy có nhiều tình huống mà hiệu ứng giao thoa bị triệt tiêu, nhân tạo hoặc tự phát.

Lý thuyết decoherence chính là nghiên cứu những tình huống như vậy. Nguồn Stanford cho biết nền móng hiện đại của decoherence như một chủ đề riêng được H.-D. Zeh đặt vào đầu thập niên bảy mươi.

Nói ngắn gọn: giao thoa là một khía cạnh then chốt của cơ học lượng tử, và decoherence là khi nó bị triệt tiêu.

• Electron
• Tấm chắn có hai khe
• Màn có hoa văn vạch

Môi trường làm mất giao thoa như thế nào?

Môi trường làm mất giao thoa vì nó tương tác với hệ và trở nên rối với các thành phần của sóng. Theo nguồn Stanford, decoherence “môi trường” là decoherence nảy sinh qua sự tương tác thích hợp giữa một hệ và môi trường của nó.

Hãy theo dõi một electron đi qua hai khe tới một màn. Nếu có những hệ khác tương tác với electron giữa khe và màn, dẫn tới đủ rối với các thành phần của sóng đi qua hai khe, thì xác suất phát hiện trên màn trở nên như thể ta đã đặt máy dò ở các khe. Ví dụ, có thể có thật nhiều hạt lạc đường tán xạ khỏi electron.

Khi đó, theo nguồn Stanford, giao thoa chỉ còn tạo ra được trong một thí nghiệm thích hợp bao gồm cả hệ lớn hơn gồm electron và các hạt lạc. Hiện tượng triệt tiêu giao thoa như vậy được gọi là decoherence.

Có một nhận xét liên quan. Nguồn nhắc rằng nếu Alice và Bob chia nhau một cặp hệ rối, thì xác suất kết quả của mọi phép đo Bob có thể làm không phụ thuộc vào việc Alice có đo hay không. Nguồn viết thêm rằng hình ảnh phát hiện trên màn không phân biệt được sự rối với các hệ khác với việc thực sự dùng những hệ đó để dò ở các khe.

• Electron
• Tấm chắn có hai khe
• Màn với hoa văn mờ
• Hạt lạc đường (chấm đỏ)

Vì sao decoherence quan trọng với máy tính lượng tử?

Vì qubit rất mong manh, và nhiễu từ môi trường có thể phá trạng thái của nó. Theo bài giải thích của NIST, qubit tinh vi nhưng dễ vỡ. Một từ trường hay điện trường lạc, biến động nhiệt độ, hoặc thậm chí một tia vũ trụ có thể làm hỏng chồng chập hoặc trạng thái rối.

Khi giao thoa trong hệ đang xét bị triệt tiêu do rối với môi trường, không nên diễn đạt rằng qubit tất yếu đã chọn một giá trị xác định. Stanford lưu ý giao thoa có thể còn xét được trong hệ lớn hơn gồm cả môi trường. Vì thế decoherence và một phép đo cho kết quả cụ thể không phải cùng một khái niệm.

• Qubit trong hộp bảo vệ
• Nhiễu điện từ (nét đỏ gãy)
• Nhiễu nhiệt (vòng vàng có tia)

Ví dụ trong đời sống

Hãy nghĩ tới những gợn sóng trên mặt hồ yên. Hai gợn sóng gặp nhau tạo hoa văn đều đặn, đó là giao thoa. Nếu có thật nhiều que nhỏ khuấy nước ngẫu nhiên, hoa văn nhòe đi và không còn rõ.

Đây chỉ là hình ảnh so sánh trực giác, vì decoherence trong nguồn Stanford nói về sóng lượng tử, không phải sóng nước.

Hiểu lầm thường gặp

Decoherence không nhất thiết cần một máy dò. Theo nguồn Stanford, kết quả trên màn như thể ta đã đặt máy dò ở các khe, dù chỉ có các hệ khác tương tác với electron.

Decoherence không chỉ là chuyện của máy tính lượng tử. Nguồn Stanford đặt nó trong cơ học lượng tử nói chung, qua thí nghiệm hai khe.

Qubit dễ bị nhiễu không có nghĩa là hết cách. Nguồn NIST nói người chế tạo phải tìm cách bảo vệ qubit khỏi nhiễu bên ngoài.

Câu hỏi thường gặp

Decoherence là gì?

Là sự triệt tiêu giao thoa lượng tử khi một hệ tương tác với môi trường của nó.

Điều gì gây ra decoherence?

Tương tác với môi trường, ví dụ nhiều hạt lạc đường tán xạ khỏi electron, dẫn tới rối với các thành phần của sóng.

Vì sao qubit dễ mất trạng thái?

Một từ trường hay điện trường lạc, biến động nhiệt độ hay tia vũ trụ có thể làm hỏng chồng chập hoặc trạng thái rối.

Ai đặt nền móng cho decoherence?

Theo nguồn Stanford, H.-D. Zeh đặt nền móng hiện đại vào đầu thập niên bảy mươi.

Tóm tắt

• Decoherence là sự triệt tiêu giao thoa lượng tử khi hệ tương tác với môi trường.
• Môi trường làm mất giao thoa bằng cách trở nên rối với các thành phần của sóng.
• Qubit mong manh nên phải được bảo vệ khỏi nhiễu từ bên ngoài.