Физические особенности перехода от микро- к наноустройствам
Переход между “квантовым миром” и “классическим миром” привлекает пристальное внимание ученых. Естественно, особенный интерес представляет возможность экспериментального исследования подобного перехода для микроскопических систем. Принципиальное отличие квантовой системы от классической состоит в том, что измерение, проведенное над классической системой, в принципе может не оказать никакого влияния на ее состояние, в то время как в случае квантовой системы это не так. Чтобы понять, каким образом измерение влияет на квантовую систему, необходимо вспомнить ряд фактов. Как известно, описание квантовой системы с помощью волновой функции возможно не всегда, а только для так называемых чистых состояний, когда состояние системы можно представить в виде линейной суперпозиции некоторых базисных состояний. Помимо чистых состояний существуют так называемые смешанные состояния, которые описываются с помощью матрицы плотности, а не с помощью волновой функции (последнее описание для смешанных состояний невозможно). Это более общий способ описания квантовомеханической системы; для чистого состояния, конечно, 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 “классическим прибором”. Формально мы можем представить классический прибор как квантовый объект, тогда в результате взаимодействия состояния квантового объекта и классического прибора; система “квантовый объект” + “классический прибор” находится в чистом состоянии. Нас, однако, интересует только состояние квантового объекта, и, в любом случае, мы не способны полностью контролировать состояние классического прибора. Состояние квантового объекта описывается в этом случае так называемой редуцированной матрицей плотности, и, в отличие от состояния системы “квантовый объект” + “классический прибор”, уже является смешанным. Таким образом, первоначальное квантовое состояние объекта оказывается “разрушенным” (говорят, что в процессе измерения происходит “редукция (коллапс) волновой функции”). Заметим, что смешанные состояния являются по сути “классическими” - система может быть с определенной вероятностью обнаружена в одном из состояний, но никак не в нескольких состояниях сразу. Не употребляя слов “прибор” и “измерение”, можно сказать о том же самом несколько иначе. При взаимодействии квантовой системы с окружением происходит потеря фазовой когерентности состояния - декогерентизация. Этому соответствует исчезновение интерференционных членов в матрице плотности (чистое состояние превращается в смешанное). На этом языке то, что при измерении (взаимодействии классического прибора и квантовой системы) мы с определенной вероятностью обнаруживаем квантовую систему в одном из базисных состояний, обусловлено потерей когерентности квантовой системы при взаимодействии с прибором. Таким образом, мы видим глубокую связь понятий “измерение" и “декогерентизация", а также связь перехода от квантового поведения к классическому с явлением декогерентизации. Не нужно думать, что изучение подобных вопросов носит чисто теоретический характер, в последние годы идет и экспериментальное исследование роли декогерентизации в квантовых измерениях. Кроме того, пристальное внимание к явлению декогерентизации в квантовых системах привлечено также, например, в связи с проблемой создания квантовых компьютеров - требуется обеспечить как можно большие времена когерентности (условно говоря - времена жизни чистых квантовых состояний) задействованных в квантовых вычислениях состояний.
|
6019
5874