Décohérence quantique
La décohérence quantique est le processus par lequel un système quantique perd sa capacité à produire des interférences observables sous l'effet de ses interactions avec l'environnement.
La décohérence est l'un des concepts les plus importants de la mécanique quantique moderne. Elle permet de comprendre pourquoi les objets qui nous entourent semblent obéir aux lois de la physique classique, alors qu'ils sont tous constitués, à l'échelle microscopique, de particules quantiques.
Comment la décohérence quantique se produit-elle ?
Un système quantique, comme un électron ou un photon, peut se trouver dans une superposition d'états. Cela signifie que son état n'est pas décrit par une seule possibilité, mais par une combinaison linéaire de plusieurs états possibles.
Tant que le système reste suffisamment isolé de son environnement, cette superposition conserve sa cohérence. C'est précisément cette cohérence qui permet l'apparition des phénomènes d'interférence quantique.
Tout change lorsque le système commence à interagir avec son environnement. Les molécules de l'air, le rayonnement électromagnétique, le rayonnement thermique et même les appareils de mesure échangent en permanence de l'information avec lui.
Au fil de ces interactions, les différentes composantes de la superposition perdent progressivement leur cohérence de phase. Les effets d'interférence caractéristiques de la mécanique quantique deviennent alors pratiquement impossibles à observer, et le système adopte un comportement qui ressemble à celui d'un objet classique. Autrement dit, il semble se trouver dans l'un des différents états classiques bien définis.
Remarque. L'expression « état classique bien défini » décrit uniquement le comportement observable du système. La décohérence ne provoque ni l'effondrement de la fonction d'onde ni la disparition de la superposition. Elle rend simplement les interférences entre les différentes composantes pratiquement inobservables. La superposition continue de faire partie de la description quantique du système global, constitué du système initial et de son environnement, même si ses effets ne peuvent plus être mis en évidence en observant uniquement le système.
Que se passe-t-il pendant la décohérence ?
Lorsqu'un système quantique est dans une superposition d'états, toutes les possibilités compatibles avec son état sont décrites par un unique vecteur d'état. Selon la représentation choisie, celui-ci peut s'exprimer sous la forme d'une fonction d'onde.
Si le système pouvait rester parfaitement isolé, cette superposition conserverait toute sa cohérence et son évolution continuerait d'obéir aux lois de la mécanique quantique.
En réalité, aucun système physique n'est parfaitement isolé. Les électrons, les atomes et les molécules interagissent sans cesse avec les photons, les molécules de l'air, le rayonnement thermique et les champs électromagnétiques présents dans leur environnement.
Chaque interaction crée des corrélations entre le système et son environnement. Une partie de l'information décrivant l'état quantique du système est alors transférée vers les degrés de liberté de l'environnement.
Après un très grand nombre d'interactions, l'environnement devient fortement intriqué avec le système et conserve une trace de certaines de ses propriétés. Dans ces conditions, les interférences entre les différentes composantes de la superposition deviennent pratiquement impossibles à observer. Pour toute mesure locale, le système se comporte alors comme un objet classique.
Remarque. La fonction d'onde globale ne disparaît jamais. Le système et son environnement évoluent ensemble pour former un unique état quantique intriqué. Si l'on pouvait décrire l'ensemble du système composé, environnement compris, son évolution resterait entièrement conforme aux lois de la mécanique quantique. En revanche, lorsque l'on ne considère que le système initial en ignorant les innombrables degrés de liberté de l'environnement, on obtient un état réduit en effectuant une trace partielle sur l'environnement. Dans cet état réduit, les éléments hors diagonale de la matrice de densité, responsables de la cohérence entre les différentes alternatives quantiques, sont fortement supprimés dans la base privilégiée par l'interaction avec l'environnement. L'état réduit se comporte alors, d'un point de vue pratique, comme un mélange statistique impropre. Ainsi, la décohérence ne supprime pas la superposition de l'état global, mais rend ses effets d'interférence inaccessibles aux observations locales.
Pourquoi les interférences disparaissent-elles ?
L'une des propriétés fondamentales d'une superposition quantique est que ses différentes composantes peuvent interférer entre elles.
L'interférence quantique est à l'origine de certaines des prédictions les plus étonnantes de la mécanique quantique. L'exemple le plus célèbre est la figure d'interférence obtenue dans l'expérience des deux fentes.
Lorsque la décohérence se produit, ces effets disparaissent rapidement des observations réalisées sur le système. Son comportement devient alors très proche de celui prédit par la physique classique.
La raison fondamentale est la perte effective de cohérence de phase entre les différentes composantes de la superposition lorsque seules les variables du système sont prises en compte.
Une analogie simple permet de mieux comprendre ce phénomène. Imaginez deux vagues à la surface de l'eau. Tant qu'elles conservent une relation de phase constante, elles peuvent se renforcer ou s'annuler mutuellement et former une figure d'interférence stable. Si cette relation devient aléatoire, la figure disparaît.
Il se passe quelque chose de comparable en mécanique quantique. À mesure que le système interagit avec son environnement, l'information relative aux phases des différentes composantes de la superposition se disperse parmi un nombre immense de degrés de liberté environnementaux. Une fois cette information diffusée, les interférences ne peuvent plus être observées à partir de mesures réalisées uniquement sur le système.
Décohérence et effondrement de la fonction d'onde
La décohérence ne doit pas être confondue avec l'effondrement de la fonction d'onde.
Dans les interprétations de la mécanique quantique qui postulent un effondrement physique, celui-ci désigne le processus par lequel une mesure conduit à un résultat unique parmi toutes les possibilités décrites par l'état quantique.
La décohérence, en revanche, correspond à la perte effective de la cohérence quantique observable provoquée par les interactions avec l'environnement. Elle explique pourquoi les effets d'interférence disparaissent si rapidement dans les systèmes macroscopiques, sans qu'il soit nécessaire d'introduire un effondrement physique de la fonction d'onde au cours de l'évolution unitaire du système composé.
Elle montre ainsi comment un comportement effectivement classique peut émerger de la dynamique quantique. En revanche, elle n'explique pas, à elle seule, pourquoi une mesure donnée conduit à un résultat particulier plutôt qu'à un autre. Autrement dit, elle éclaire une étape essentielle de la transition entre le monde quantique et le monde classique, sans résoudre complètement le problème de la mesure.
Exemple. Imaginons que l'on jette une pierre dans un étang parfaitement calme. Les ondes circulaires qui se propagent dessinent une figure nette et facilement reconnaissable. Imaginons maintenant que la pluie et le vent agitent continuellement la surface de l'eau. Les ondes initiales ne disparaissent pas, mais elles sont progressivement masquées par une multitude de nouvelles ondulations, jusqu'à devenir impossibles à distinguer.
La décohérence quantique fonctionne de manière très similaire. Elle ne supprime pas la fonction d'onde du système global. Les interactions permanentes avec l'environnement dispersent l'information relative aux phases des différentes composantes de la superposition parmi les degrés de liberté environnementaux, ce qui rend les interférences inobservables dans le système initial. L'effondrement de la fonction d'onde correspond à un concept différent. Dans les interprétations qui le postulent, il représente la sélection d'un unique résultat de mesure. La décohérence explique pourquoi les interférences quantiques cessent d'être observables en pratique, mais elle ne détermine pas quel résultat sera finalement observé.
Pourquoi le monde macroscopique paraît-il classique ?
La décohérence se produit avec une rapidité extraordinaire dans les objets macroscopiques.
Un chat, un être humain ou même un simple grain de poussière interagissent en permanence avec un nombre immense de molécules de l'air, de photons et de rayonnement infrarouge émis en raison de leur propre température.
Ces interactions sont si fréquentes que la décohérence peut se produire en un temps extrêmement bref. Sa durée dépend de la taille du système, de son état et des conditions de son environnement, mais elle est souvent très inférieure à une nanoseconde.
C'est pourquoi nous n'observons jamais les objets du quotidien dans des superpositions quantiques cohérentes d'états macroscopiquement distincts, comme le célèbre chat de Schrödinger à la fois vivant et mort. Les interactions avec l'environnement suppriment presque instantanément les interférences observables entre ces différentes possibilités, bien avant qu'une telle superposition puisse être détectée expérimentalement.
Un exemple concret
La célèbre expérience de pensée du chat de Schrödinger offre une illustration particulièrement parlante de la décohérence quantique.
Dans une description idéalisée, le chat pourrait faire partie d'un état quantique intriqué comprenant une superposition d'alternatives macroscopiques correspondant aux états « vivant » et « mort ». En pratique, il interagit en permanence avec une quantité immense de particules, avec le rayonnement thermique, les champs électromagnétiques et l'ensemble de son environnement.
Ces interactions provoquent une décohérence extrêmement rapide. Les interférences entre des états macroscopiquement distincts deviennent alors pratiquement impossibles à observer. L'état réduit du chat acquiert ainsi un comportement effectivement classique et toute mesure conduit à un résultat bien défini.
En résumé, la décohérence constitue le principal mécanisme physique qui relie le comportement quantique au comportement classique. Elle ne modifie pas les lois de la mécanique quantique, mais explique pourquoi les interférences quantiques cessent d'être observables dans les systèmes macroscopiques qui interagissent continuellement avec leur environnement.
L'intrication avec les degrés de liberté de l'environnement rend la cohérence entre les différentes composantes d'une superposition inaccessible aux observations locales. C'est ainsi qu'émerge le comportement effectif décrit par la physique classique.
