6.7 Decoherentie

Startpagina ／ Hoofdstuk 6: Kwantumdomein (V5.05)

I. Fenomeen en vraagstuk
Zeer kleine objecten kunnen zich “als een golf” gedragen: ze stapelen zich op en interfereren. Grotere objecten volgen bijna altijd “als een deeltje” één nette route. Een enkel elektron of een enkel foton door een dubbele spleet levert fijne interferentiefranjes op; vervang ze door warme stofdeeltjes of opgewarmde grote moleculen en de franjes vervagen snel. Zelfs supergeleidende qubits die samenhang kunnen bewaren, verliezen contrast zodra de koppeling met hun omgeving sterker wordt. De intuïtieve vraag luidt daarom: als overal dezelfde natuurwetten gelden, waarom oogt de macroscopische wereld dan “klassiek”?

II. Uitleg volgens de Energie-filamenttheorie: drie stappen die samenhang “verdunnen”
Bij eerste vermelding: de Energie-filamenttheorie (EFT) beschrijft elk voortplantend kwantumobject als een “samenhangomhulsel” dat in estafette door de energiesee beweegt. Volgens de Energie-filamenttheorie ontstaat decoherentie wanneer dit omhulsel zwak met de omgeving koppelt, waardoor de fase-orde uitwaaiert en vervaagt.

• Omgevingskoppeling schrijft overal “welk-pad”-sporen weg:
  Zwakke botsingen en verstrooiing met gas, straling of een kristalrooster leggen padverschillen vast in vele vrijheidsgraden van de omgeving. In de taal van de Energie-filamenttheorie worden bundels fase-motieven verspreid over talloze micro-elementen van de filamentzee en vormen ze een gedistribueerd “geheugen”.
• Tensoriale achtergrondruis maakt de fase-motieven rafelig:
  De energiesee is niet stil; er bestaat alomtegenwoordige, zwakke tensoriale achtergrondruis. Na verloop van tijd laat die de relatieve fase tussen verschillende paden wegdrijven. Ooit nette patronen vallen uiteen en het samenhangomhulsel verandert van “scherp” naar “bot”.
• De omgeving “selecteert” corridors met stabiele uitlezing:
  Bij langdurige interactie blijven alleen oriëntaties en verdelingen die het minst gevoelig zijn voor de omgeving behouden: de zogeheten pointertoestanden. Ze komen overeen met corridors met minimale verstoring en lijken op klassieke banen.

Netto-effect: er is geen menselijke waarnemer nodig. Fase-informatie is al naar de omgeving uitgelekt. Voor het lokale systeem rest slechts een gemengde statistiek en verdwijnt het interferentiepatroon. Zo treedt het kwantum op als klassiek.

III. Typische scenario’s (van werkbank tot frontlijn)

• Dubbele spleet met gas of thermische straling:
  Verhoog geleidelijk de druk of temperatuur nabij de paden en de franje-zichtbaarheid neemt systematisch af volgens een combinatie van druk, temperatuur en padverschil. Uitleg: verstrooiing voorziet nabije deeltjes en fotonen van “padlabels”; fase-orde lekt weg en de franjes doven uit.
• Interferentie van grote moleculen en spontane emissie:
  C₆₀ en nog grotere organische moleculen vertonen in hoogvacuüm en bij lage temperatuur interferentie. Bij opwarming “zendt” hun thermische straling de fase-informatie naar de omgeving, waarna de franjes verzwakken omdat uitgezonden fotonen het faseverschil meenemen.
• Samenhangstijden van qubits en herstel met echo:
  In supergeleidende of spinsystemen bepalen relaxatie en defasering het “samenhangvenster”. Met echo-technieken of dynamische decoupling kan een deel van de vervaagde fase-orde worden teruggehaald, zodat interferentie opnieuw verschijnt. Dit toont dat decoherentie informatie-diffusie door koppeling is, geen volledige uitwissing.
• Experimente van het type “kwantumgum”:
  Als omgevingsvrijheidsgraden de padinformatie dragen, kan het wissen van die registratie—of het zodanig samenvoegen dat ze onleesbaar wordt—interferentie in bijbehorende conditionele subsets herstellen. Zichtbaarheid hangt af van de toegankelijkheid van fase-informatie, niet van een deeltje dat “plots klassiek” wordt.
• Optomechanica en biologische “vensters” van samenhang:
  Micromechanische resonatoren die bijna tot de grondtoestand zijn gekoeld, kunnen kortstondig samenhang behouden. Complexe assemblages zoals fotosynthese-complexen houden in warme, vochtige omgevingen toch piepkleine “zakjes” van samenhang vast. Dit laat zien dat samenhang technisch houdbaar is mits koppeling en achtergrondruis worden beheerst.

IV. Experimentele vingerafdrukken (hoe herkennen dat de fase “botter” wordt)

• Franje-contrast daalt systematisch met toenemende druk, temperatuur, padverschil en deeltjesgrootte.
• In Ramsey- en Hahn-echo-reeksen zie je een afnemend omhulsel met gedeeltelijk herstel.
• Na selectief “wissen” of “labelen” van padinformatie verschijnen of verdwijnen franjes in conditionele statistieken.
• Isotrope versus directionele ruis levert verschillende hoekafhankelijkheden in de afname van samenhang.

V. Korte antwoorden op veelvoorkomende misvattingen

• Is decoherentie hetzelfde als energieverlies?
  Nee. Het is primair het naar buiten diffunderen van fase-informatie; de totale energie kan vrijwel gelijk blijven.
• Vereist decoherentie een waarnemer?
  Nee. Elke registreerbare omgevingskoppeling verspreidt fase, met of zonder waarnemer.
• Verklaart decoherentie op zichzelf waarom één uitkomst optreedt?
  Ze verklaart waarom superpositie onzichtbaar wordt en waarom stabiele pointertoestanden ontstaan. Maar om een minieme afwijking op te schalen tot een leesbaar resultaat zijn nog steeds koppeling, sluiting en geheugenprocessen van het meetapparaat nodig (eerder besproken in Sectie 6.4).
• Is decoherentie onomkeerbaar?
  In principe kan samenhang worden herbouwd als alle omgevingsregistraties verzameld en omgekeerd worden. In de praktijk is dat vrijwel ondoenlijk omdat de registraties over talloze vrijheidsgraden verspreid zijn. Echo en wissen tonen een beperkte omkeerbaarheid.

VI. Samengevat
Decoherentie herschrijft de kwantumwetten niet. Ze laat zien dat interferentiepatronen vanuit lokaal perspectief verdwijnen zodra fase-informatie uit een lokaal samenhangomhulsel in de uitgestrekte energiesee en de omgeving diffundeert. Macroscopische klassiekheid ontstaat doordat systemen—onder invloed van achtergrondruis en langdurige meerkanaalskoppeling—worden “gestuurd” naar stabiele corridors die het minst gevoelig zijn voor de omgeving.
In één zin: het kwantum is alomtegenwoordig; het klassiek-ogende is de verschijningsvorm ná decoherentie.