Декогеренція та парадокс кота: Як квантова невизначеність переходить у класичну реальність

Фундаментальна проблема сучасної фізики полягає у поясненні переходу від невизначеного квантового світу, де панують хвильові функції та суперпозиція, до звичної нам класичної реальності. Цей перехід аналізується через механізми, зокрема квантову декогеренцію, яка описує, як явища суперпозиції трансформуються у чіткі, визначені стани. Актуальність цих теоретичних розробок підкреслюється планами щодо розгортання потужних квантових систем у найближчі роки.

У мікроскопічному квантовому домені частинка демонструє суперпозицію станів, що ілюструється уявним експериментом Ервіна Шредінгера, проведеним ним у 1935 році. У цьому експерименті кіт одночасно перебуває у станах «живий» та «мертвий» до моменту спостереження, яке змушує функцію «колапсувати». Ключові кількісні аспекти цієї проблеми включають правило Борна, що визначає ймовірності станів, та експоненційне згасання квантових інтерференційних ефектів зі зростанням розміру системи.

Декогеренція, концепція, значущість якої підкреслив Г. Дітер Зе на початку 1970-х років, пропонує поступовий механізм втрати когерентності квантової системи внаслідок взаємодії з навколишнім середовищем, наприклад, із молекулами повітря чи електромагнітними полями. Цей процес є незворотним і становить серйозну інженерну перешкоду для розвитку квантових обчислень, оскільки він руйнує тонкі квантові стани, необхідні для роботи кубітів. Наприклад, компанії, як IBM, працюють над стабілізацією своїх процесорів, таких як Condor на 1121 кубіт, для забезпечення стійкості обчислень.

Історичний контекст проблеми сягає виклику узгодження ймовірнісного квантового світу з детермінованим класичним світом. Альтернативні підходи, як-от багатосвітова інтерпретація Г'ю Еверетта III, запропонована у його дисертації 1957 року, постулюють, що всі можливі результати реалізуються у паралельних всесвітах, а декогеренція лише приховує існування цих інших світів від конкретного спостерігача. Натомість, підходи, що спираються на декогеренцію, як-от Квантовий Дарвінізм, схиляються до того, що макроскопічна реальність є неминучим наслідком квантових законів у великому масштабі.

Актуальність цієї теоретичної бази зростає завдяки стрімкому розвитку квантових технологій у Європі. Наприклад, у Німеччині розгортається система Euro-Q-Exa у Лейбніцькому суперкомп'ютерному центрі (LRZ) у Ґархінзі, що базується на 54 надпровідних кубітах платформи IQM. Ця система має бути доповнена потужнішою системою на понад 150 кубітів до кінця 2026 року, що відображає інвестиції у локальний потенціал. Уряд ФРН раніше планував інвестувати у квантові технології близько 2 мільярдів євро до 2025 року, прагнучи до технологічного суверенітету.

Таким чином, аналіз декогеренції не лише пропонує вирішення філософської дилеми, але й є критично важливим для інженерії стійких квантових обчислювальних систем, які мають потенціал для застосування у хімії, медицині та фінансовому моделюванні.