¿Qué es la decoherencia cuántica?

Agregaré una respuesta un poco más técnica.

Un sistema cuántico cerrado y aislado evoluciona bajo la ecuación de Schrodinger y su estado en un momento anterior siempre está relacionado con su estado en un momento posterior a través de una transformación unitaria (una transformación que preserva la longitud del vector que representa el estado, pero permite el estado rotar; conservar la longitud es equivalente a conservar la probabilidad). Un sistema cuántico abierto y no aislado no evoluciona bajo la ecuación de Schrodinger (a menos que uno incluya el resto del universo, a menudo llamado ambiente o baño) y su evolución generalmente no es unitaria. Tal evolución no unitaria se llama decoherencia.

Una forma de pensar sobre tales evoluciones descodificadoras es en términos de un conjunto de evoluciones unitarias, donde cada miembro del conjunto tiene asignada una probabilidad. En este sentido, la decoherencia (que no es la más general) es un proceso por el cual, en lugar de evolucionar bajo un solo unitario, un sistema cuántico evoluciona bajo unitario U1 con probabilidad p1, unitario U2 con probabilidad p2, etc.

Debe quedar claro que un sistema cuántico descodificador puede seguir siendo cuántico. Solo en ciertos límites la decoherencia convierte un sistema cuántico en uno clásico. Cuál es el límite cuántico / clásico es una pregunta separada interesante.

Una computadora cuántica suficientemente decodificada se puede simular eficientemente usando una computadora clásica. Esta es una forma útil de pensar en la decoherencia como un mecanismo que hace que un sistema pase de ser cuántico a ser clásico. Como tales computadoras cuánticas decodificadas no son más poderosas que las computadoras clásicas, existe una gran cantidad de literatura dedicada a deshacer, reducir o evitar los efectos de la decoherencia.

Los sistemas cuánticos tienen la capacidad de existir en estados superposicionales. Como simple analogía, supongamos que tenemos una bolsa que contiene un montón de canicas en blanco y negro. Ahora supongamos que sacamos una canica de la bolsa y la tenemos en la mano, pero no la miremos . Entonces (todavía) no sabemos si es una canica negra o blanca. Si la canica fuera un objeto mecánico cuántico, diríamos que, hasta que abramos nuestra mano, esa canica existe en una superposición ‘coherente’ de estados en blanco y negro. Supongamos que nuestra bolsa solo tiene dos canicas. Si sacamos la canica blanca, inmediatamente sabemos que la otra canica en la bolsa es negra. Decimos que este es un estado ‘puro’ porque cuando abrimos nuestra mano para mirar la canica, es negra o blanca (por ejemplo, rayas, gris, etc., no son opciones), es decir, diríamos que los resultados en blanco y negro son ortogonales entre sí.

Pero a veces el mundo no es tan blanco y negro (perdón por el juego de palabras). En lugar de canicas, supongamos que estamos tratando con, digamos, perros. Las razas puras representarían los estados ortogonales. Entonces, si voy a un refugio que solo tiene dos perros de raza pura, un dachsund y un poodle, y adopto el dachsund, entonces sé que el otro perro es el poodle. Pero, ¿y si los dos perros son perros callejeros? Los estados no son necesariamente ortogonales entre sí. El hecho de que elegí un perro que se parecía a un dachsund (y tal vez tiene algo de dachsund), no significa que el otro perro tampoco tenga algún dachsund. Si elegí el perro a ciegas, antes de ver qué perro es, todavía está en un estado de superposición. Pero no es necesariamente coherente. Diríamos que tal estado es un estado ‘mixto’.

Otra forma de ver esto es considerar las ondas electromagnéticas (de luz). Imagine que construimos un láser en el que la luz es producida por alguna transición atómica. Si las ondas de luz que se producen están perfectamente ‘en el paso’ entre sí, entonces decimos que nuestro haz es ‘coherente’ y representa un estado ‘puro’ en el que todas las ondas de luz tienen la misma longitud de onda, frecuencia, etc. Sin embargo, si no todos tienen la misma frecuencia, longitud de onda, etc., entonces tenemos un estado “mixto”.

La decoherencia en los sistemas cuánticos, entonces, es el proceso irreversible por el cual un estado puro se convierte en un estado mixto. Por lo general, la decoherencia surge de una interacción entre el estado cuántico y algún entorno. Hay una escuela de pensamiento que toma esto como una explicación de cómo el mundo clásico en el que vivimos (y que no tiene rarezas a gran escala como enredos) surge del mundo cuántico subyacente.