Decoherencia cuántica

La decoherencia cuántica es el proceso mediante el cual un sistema cuántico pierde la capacidad de mostrar interferencias observables debido a su interacción con el entorno.

Este fenómeno ayuda a comprender por qué el mundo cotidiano parece regirse por las leyes de la física clásica, aunque toda la materia esté formada, en última instancia, por sistemas cuánticos.

¿Cómo se produce la decoherencia cuántica?

Un sistema cuántico, como un electrón o un fotón, puede encontrarse en una superposición de estados. Esto significa que su estado no se describe mediante una única posibilidad, sino como una combinación lineal de varios estados posibles.

Mientras el sistema permanezca suficientemente aislado del entorno, se conserva la coherencia entre los componentes de la superposición. Gracias a ello pueden aparecer fenómenos de interferencia cuántica.

La situación cambia cuando el sistema empieza a interactuar con lo que lo rodea. Las moléculas del aire, la radiación electromagnética, la radiación térmica e incluso los dispositivos de medida intercambian continuamente información con él.

A medida que estas interacciones se acumulan, los distintos componentes de la superposición pierden progresivamente su coherencia de fase. Como consecuencia, los efectos de interferencia característicos de la mecánica cuántica dejan de ser observables en la práctica y el sistema comienza a comportarse como un objeto clásico. En otras palabras, parece encontrarse en uno de varios estados clásicos bien definidos.

Nota. La expresión "estado clásico bien definido" se utiliza únicamente para describir el comportamiento observable del sistema. La decoherencia no provoca por sí sola el colapso de la función de onda ni elimina la superposición. Su efecto consiste en suprimir, desde un punto de vista práctico, la interferencia observable entre sus componentes. La superposición sigue formando parte de la descripción cuántica del sistema global, constituido por el sistema original y su entorno, aunque sus efectos ya no puedan detectarse observando únicamente el sistema.

¿Qué ocurre durante la decoherencia?

Cuando un sistema cuántico se encuentra en una superposición de estados, las distintas posibilidades compatibles con su estado están codificadas en un único vector de estado. En determinadas representaciones, este puede expresarse mediante una función de onda.

Si el sistema pudiera permanecer perfectamente aislado, la coherencia de la superposición se conservaría y su evolución seguiría estando gobernada por las leyes de la mecánica cuántica.

Sin embargo, en la realidad, ningún sistema físico está completamente aislado. Los electrones, los átomos y las moléculas interactúan continuamente con fotones, moléculas del aire, radiación térmica y campos electromagnéticos.

Cada interacción establece correlaciones entre el sistema y el entorno. De este modo, parte de la información sobre el estado cuántico del sistema se distribuye entre los grados de libertad ambientales.

Después de un número enorme de interacciones, el entorno queda fuertemente entrelazado con el sistema y actúa, en la práctica, como un registro de algunas de sus propiedades. En esas condiciones, la interferencia entre los componentes de la superposición resulta casi imposible de observar y el sistema se comporta, para cualquier medición local, como si fuera un objeto clásico.

Nota. La función de onda global no desaparece. El sistema y el entorno evolucionan conjuntamente hasta formar un único estado cuántico entrelazado. Si fuera posible describir el sistema compuesto completo, incluido el entorno, toda su evolución seguiría obedeciendo las leyes de la mecánica cuántica. Sin embargo, cuando solo se considera el sistema original y se ignoran los innumerables grados de libertad ambientales, se obtiene un estado reducido mediante una traza parcial sobre el entorno. En ese estado reducido, los elementos no diagonales de la matriz de densidad, responsables de la coherencia entre las distintas alternativas cuánticas, quedan fuertemente suprimidos en la base seleccionada por la interacción ambiental. Como resultado, el estado reducido se comporta, a efectos prácticos, como una mezcla estadística impropia. Por ello, la decoherencia no elimina la superposición del estado global, sino que vuelve inaccesibles sus efectos de interferencia para las observaciones locales.

La desaparición de la interferencia

Una de las propiedades fundamentales de una superposición cuántica es que sus distintos componentes pueden interferir entre sí.

La interferencia cuántica está detrás de muchas de las predicciones más sorprendentes de la mecánica cuántica. Uno de los ejemplos más conocidos es el patrón de interferencia que aparece en el experimento de la doble rendija.

Cuando se produce la decoherencia, estos efectos desaparecen rápidamente de las observaciones realizadas sobre el sistema. Como consecuencia, su comportamiento se aproxima al que predice la física clásica.

La causa fundamental es la pérdida efectiva de coherencia de fase entre los distintos componentes de la superposición cuando solo se consideran las variables propias del sistema.

Podemos recurrir a una analogía sencilla basada en las ondas del agua. Mientras dos ondas mantengan una relación de fase constante, pueden reforzarse o cancelarse y formar un patrón de interferencia estable. Cuando esa relación de fase se vuelve impredecible, el patrón deja de distinguirse.

En mecánica cuántica ocurre algo semejante. A medida que el sistema interactúa con el entorno, la información sobre las fases relativas de los componentes de la superposición se dispersa entre un número inmenso de grados de libertad ambientales. Una vez distribuida esa información, la interferencia ya no puede observarse mediante mediciones realizadas únicamente sobre el sistema.

Decoherencia y colapso de la función de onda

La decoherencia no es equivalente al colapso de la función de onda.

En las interpretaciones de la mecánica cuántica que postulan un colapso físico, este representa el proceso mediante el cual una medición conduce a un resultado definido entre todas las posibilidades descritas por el estado cuántico.

La decoherencia, en cambio, consiste en la pérdida efectiva de coherencia cuántica observable provocada por la interacción con el entorno. Explica por qué los efectos de interferencia desaparecen con tanta rapidez en los sistemas macroscópicos sin necesidad de introducir un colapso físico de la función de onda dentro de la evolución unitaria del sistema compuesto.

Por este motivo, la decoherencia permite comprender cómo emerge un comportamiento aproximadamente clásico a partir de la dinámica cuántica. Sin embargo, no explica por sí sola por qué una medición concreta produce un resultado determinado y no otro. En otras palabras, describe una parte esencial de la transición entre el mundo cuántico y el clásico, pero no resuelve por completo el problema de la medida.

Ejemplo. Imaginemos que lanzamos una piedra a un estanque completamente en calma. Las ondas circulares se propagan por la superficie y forman un patrón nítido y fácilmente reconocible. Ahora imaginemos que la lluvia y el viento agitan continuamente el agua. Las ondas originales no desaparecen, pero quedan ocultas bajo una enorme cantidad de nuevas ondulaciones, hasta el punto de que el patrón inicial deja de distinguirse.

La decoherencia cuántica funciona de manera semejante. No elimina la función de onda del sistema global. Las interacciones continuas con el entorno distribuyen entre los grados de libertad ambientales la información sobre las fases relativas de los componentes de la superposición y suprimen la interferencia observable en el sistema original. El colapso de la función de onda es un concepto diferente. En las interpretaciones que lo postulan, representa la selección de un único resultado de medida. La decoherencia explica por qué la interferencia cuántica deja de ser observable en la práctica, pero no determina cuál de los posibles resultados será finalmente el observado.

¿Por qué el mundo macroscópico parece clásico?

La decoherencia se produce con una rapidez extraordinaria en los objetos macroscópicos.

Un gato, una persona o incluso un grano de polvo interactúan continuamente con una cantidad inmensa de moléculas del aire, fotones y radiación infrarroja emitida como consecuencia de su propia temperatura.

Estas interacciones son tan frecuentes que la decoherencia puede producirse en intervalos de tiempo extremadamente breves. Su duración depende del tamaño del sistema, de su estado y de las condiciones del entorno, pero en muchos casos puede ser muy inferior a una milmillonésima de segundo.

Por esta razón, no observamos los objetos cotidianos en superposiciones cuánticas coherentes de estados macroscópicamente distinguibles, como el célebre gato de Schrödinger en una superposición de los estados vivo y muerto. Las interacciones con el entorno suprimen casi de inmediato la interferencia observable entre esas alternativas, mucho antes de que una superposición de este tipo pudiera detectarse experimentalmente a escala macroscópica.

Un ejemplo práctico

El famoso experimento mental del gato de Schrödinger ofrece una forma intuitiva de comprender la decoherencia cuántica.

En una descripción idealizada, el gato podría formar parte de un estado cuántico entrelazado que incluyera una superposición de alternativas macroscópicas correspondientes a los estados "vivo" y "muerto". En la realidad, sin embargo, el gato interactúa continuamente con una cantidad inmensa de partículas, con la radiación térmica, con los campos electromagnéticos y con todo el entorno que lo rodea.

Estas interacciones continuas producen una decoherencia extremadamente rápida. Como consecuencia, la interferencia entre estados macroscópicamente distintos resulta prácticamente imposible de observar. El estado reducido del gato adquiere así un comportamiento efectivamente clásico y las mediciones muestran un resultado definido.

En resumen, la decoherencia constituye el principal mecanismo físico que permite conectar el comportamiento cuántico con el clásico. No modifica las leyes de la mecánica cuántica, sino que explica por qué la interferencia cuántica deja de ser observable en los sistemas macroscópicos que interactúan continuamente con el entorno.

El entrelazamiento con los grados de libertad ambientales vuelve inaccesible, para las observaciones locales, la coherencia entre los componentes de una superposición. De este modo puede emerger el comportamiento efectivo y familiar descrito por la física clásica.