Dekohärenz

Dekohärenz ist der Prozess, durch den ein Quantensystem in Wechselwirkung mit seiner Umgebung seine Quantenkohärenz verliert. Durch diese Kopplung an viele Umgebungsgrade werden Interferenzeffekte zwischen unterschiedlichen Zuständen stark abgebaut, sodass in der reduzierten Dichtematrix des Systems Off-Diagonalanteile in der bevorzugten Basis schnell verschwinden.

Formal entsteht Dekohärenz, wenn der totale Zustand des Systems und seiner Umgebung S+E unitär weiterentwickelt wird und man die Umwelt E durch Partialtrace aus dem Gesamtsystem trennt. Die resultierende reduzierte Dichtematrix ρ_S = Tr_E ρ_S+E zeigt eine rapide Verringerung der Off-Diagonalbestandteile. Die Basis, in der diese Off-Diagonalen am schnellsten verschwinden, heißt Pointerbasis und wird durch die System-Umweltwechselwirkung festgelegt.

Dekohärenz erklärt, warum Superpositionen in der Praxis nicht mehr interferieren, sobald ein System messbar mit seiner Umgebung verknüpft ist. Sie löst jedoch nicht das Messproblem vollständig: Sie liefert keinen Mechanismus zur Auswahl eines einzelnen Messresultats, sondern erklärt die emergente Classicalität durch Verlust von Kohärenz und durch die Bildung von stabilen, wirksamen Zustandsklassen.

Modelle der Dekohärenz umfassen u. a. den Caldeira-Leggett-Ansatz der Quanten-Brown’schen Bewegung und das Spin-Boson-Modell. Die Umgebung wird dabei oft durch eine große Anzahl von Freiheitsgraden beschrieben (Schwingungen, Felder), deren Zusammenwirken Phaseninformation verbreitet. In der Markov-Grenze führen Master-Gleichungen, etwa in Lindblad-Form, zu effektiven Dekohärenzzeitpunkten.

Experimentell wird Dekohärenz in Quantenbits, Supraleitqubits, Ionenfallen und Molekülinterferenzen untersucht; die gemessenen Dekohärenzzeiten bestimmen die Machbarkeit von Quantenprozessen in größeren Systemen.