Efeito Quantum Zeno - Quantum Zeno effect

O efeito zeno quântico (também conhecido como paradoxo de Turing ) é uma característica dos sistemas mecânicos quânticos que permite que a evolução no tempo de uma partícula seja interrompida medindo-a com frequência suficiente em relação a alguma configuração de medição escolhida.

Às vezes, esse efeito é interpretado como "um sistema não pode mudar enquanto você o observa". Pode-se "congelar" a evolução do sistema medindo-o com freqüência suficiente em seu estado inicial conhecido. O significado do termo se expandiu, levando a uma definição mais técnica, na qual a evolução do tempo pode ser suprimida não apenas pela medição: o efeito zeno quântico é a supressão da evolução do tempo unitário em sistemas quânticos fornecida por uma variedade de fontes: medição , interações com o meio ambiente, campos estocásticos , entre outros fatores. Como resultado do estudo do efeito zeno quântico, ficou claro que a aplicação de uma série de pulsos suficientemente fortes e rápidos com simetria apropriada também pode desacoplar um sistema de seu ambiente descoerente .

O nome vem do paradoxo da flecha de Zenão , que afirma que, como uma flecha em vôo não é vista se movendo durante um único instante, ela não pode estar se movendo. A primeira derivação rigorosa e geral do efeito zeno quântico foi apresentada em 1974 por Degasperis, Fonda e Ghirardi, embora já tivesse sido descrita por Alan Turing . A comparação com o paradoxo de Zenão se deve a um artigo de 1977 de George Sudarshan e Baidyanath Misra.

De acordo com o postulado de redução, cada medição causa o colapso da função de onda para um estado próprio da base de medição. No contexto desse efeito, uma observação pode ser simplesmente a absorção de uma partícula, sem a necessidade de um observador em nenhum sentido convencional. No entanto, há controvérsia sobre a interpretação do efeito, às vezes referido como o " problema de medição " ao atravessar a interface entre objetos microscópicos e macroscópicos.

Outro problema crucial relacionado ao efeito está estritamente ligado à relação de indeterminação tempo-energia (parte do princípio de indeterminação ). Se alguém quiser tornar o processo de medição cada vez mais frequente, deve diminuir correspondentemente o tempo de duração da própria medição. Mas a solicitação de que a medição dure apenas um tempo muito curto implica que a difusão de energia do estado em que ocorre a redução torna-se cada vez maior. No entanto, os desvios da lei de decaimento exponencial para pequenos tempos estão crucialmente relacionados ao inverso da propagação de energia, de modo que a região na qual os desvios são apreciáveis ​​encolhe quando se torna a duração do processo de medição cada vez mais curta. Uma avaliação explícita dessas duas solicitações concorrentes mostra que é inadequado, sem levar em conta esse fato básico, lidar com a ocorrência real e o surgimento do efeito de Zenão.

Intimamente relacionado (e às vezes não diferenciado do efeito zeno quântico) é o efeito watchdog , no qual a evolução temporal de um sistema é afetada por seu acoplamento contínuo ao ambiente.

Descrição

Prevê-se que os sistemas quânticos instáveis ​​exibam um desvio de curto prazo da lei de decaimento exponencial. Esse fenômeno universal levou à previsão de que medições frequentes durante esse período não exponencial poderiam inibir a decadência do sistema, uma forma do efeito zeno quântico. Posteriormente, foi previsto que as medições aplicadas mais lentamente também poderiam aumentar as taxas de decaimento, um fenômeno conhecido como efeito anti-Zeno quântico .

Na mecânica quântica , a interação mencionada é chamada de "medição" porque seu resultado pode ser interpretado em termos da mecânica clássica . A medição frequente proíbe a transição. Pode ser uma transição de uma partícula de um meio-espaço para outro (que poderia ser usado para um espelho atômico em um nanoscópio atômico ) como no problema do tempo de chegada, uma transição de um fóton em um guia de onda de um modo para outro, e pode ser uma transição de um átomo de um estado quântico para outro. Pode ser uma transição do subespaço sem perda decoerente de um qubit para um estado com um qubit perdido em um computador quântico . Nesse sentido, para a correção do qubit, basta determinar se a decoerência já ocorreu ou não. Todos esses podem ser considerados como aplicações do efeito Zeno. Por sua natureza, o efeito aparece apenas em sistemas com estados quânticos distinguíveis e, portanto, é inaplicável a fenômenos clássicos e corpos macroscópicos.

O matemático Robin Gandy lembrou a formulação de Turing do efeito Zeno quântico em uma carta ao colega matemático Max Newman , logo após a morte de Turing:

[I] t é fácil de mostrar usando a teoria padrão que se um sistema começa em um estado próprio de algum observável, e as medições são feitas desse estado observável N vezes por segundo, então, mesmo que o estado não seja estacionário, a probabilidade de que o sistema estará no mesmo estado depois de, digamos, um segundo, tender para um como N tender para o infinito; isto é, que as observações contínuas impedirão o movimento. Alan e eu abordamos um ou dois físicos teóricos com isso, e eles desdenharam disso, dizendo que a observação contínua não é possível. Mas não há nada nos livros padrão (por exemplo, o de Dirac ) para esse efeito, de modo que pelo menos o paradoxo mostra uma inadequação da Teoria Quântica como geralmente apresentada.

-  Citado por Andrew Hodges em Mathematical Logic, RO Gandy e CEM Yates, eds. (Elsevier, 2001), p. 267.

Como resultado da sugestão de Turing, o efeito zeno quântico também é conhecido como o paradoxo de Turing . A ideia está implícita no trabalho inicial de John von Neumann sobre os fundamentos matemáticos da mecânica quântica e, em particular, a regra às vezes chamada de postulado da redução . Posteriormente, foi mostrado que o efeito zeno quântico de um único sistema é equivalente à indeterminação do estado quântico de um único sistema.

Várias realizações e definição geral

O tratamento do efeito Zeno como um paradoxo não se limita aos processos de decadência quântica . Em geral, o termo efeito Zeno é aplicado a várias transições e, às vezes, essas transições podem ser muito diferentes de uma mera "decadência" (seja exponencial ou não exponencial).

Uma realização refere-se à observação de um objeto ( a flecha de Zenão ou qualquer partícula quântica ) quando ele deixa alguma região do espaço. No século 20, o aprisionamento (confinamento) de uma partícula em alguma região por sua observação fora da região era considerado um absurdo, indicando alguma incompletude da mecânica quântica. Mesmo em 2001, o confinamento por absorção era considerado um paradoxo. Mais tarde, efeitos semelhantes da supressão do espalhamento Raman foram considerados um efeito esperado , e não um paradoxo. A absorção de um fóton em algum comprimento de onda, a liberação de um fóton (por exemplo, um que escapou de algum modo de fibra), ou mesmo o relaxamento de uma partícula quando ela entra em alguma região, são todos processos que podem ser interpretados como medição. Essa medida suprime a transição e é chamada de efeito Zeno na literatura científica.

A fim de cobrir todos esses fenômenos (incluindo o efeito original de supressão do decaimento quântico), o efeito Zeno pode ser definido como uma classe de fenômenos em que alguma transição é suprimida por uma interação - que permite a interpretação do estado resultante nos termos 'transição ainda não aconteceu' e 'transição já ocorreu', ou 'A proposição de que a evolução de um sistema quântico é interrompida' se o estado do sistema é continuamente medido por um dispositivo macroscópico para verificar se o sistema ainda está em seu estado inicial.

Medição periódica de um sistema quântico

Considere um sistema em um estado , que é o estado próprio de algum operador de medição. Digamos que o sistema sob a evolução do tempo livre decairá com uma certa probabilidade para o estado . Se as medições forem feitas periodicamente, com algum intervalo finito entre cada uma, a cada medição, a função de onda colapsa para um estado próprio do operador de medição. Entre as medições, o sistema evolui desse estado próprio para um estado de superposição dos estados e . Quando o estado de superposição é medido, ele entrará em colapso novamente, seja de volta ao estado como na primeira medição, ou ao estado novamente . No entanto, sua probabilidade de entrar em colapso após um período de tempo muito curto é proporcional a , uma vez que as probabilidades são proporcionais às amplitudes quadradas e as amplitudes se comportam linearmente. Assim, no limite de um grande número de intervalos curtos, com uma medição ao final de cada intervalo, a probabilidade de fazer a transição para vai para zero.

De acordo com a teoria da decoerência , o colapso da função de onda não é um evento instantâneo discreto. Uma "medição" é equivalente a acoplar fortemente o sistema quântico ao ambiente térmico ruidoso por um breve período de tempo, e o acoplamento forte contínuo é equivalente a "medição" frequente. O tempo que leva para a função de onda “entrar em colapso” está relacionado ao tempo de decoerência do sistema quando acoplado ao ambiente. Quanto mais forte for o acoplamento e quanto menor for o tempo de decoerência, mais rápido ele entrará em colapso. Assim, na imagem da decoerência, uma implementação perfeita do efeito zeno quântico corresponde ao limite onde um sistema quântico está continuamente acoplado ao ambiente, e onde esse acoplamento é infinitamente forte, e onde o "ambiente" é uma fonte infinitamente grande de energia térmica aleatoriedade.

Experiências e discussão

Experimentalmente, uma forte supressão da evolução de um sistema quântico devido ao acoplamento ambiental foi observada em vários sistemas microscópicos.

Em 1989, David J. Wineland e seu grupo no NIST observaram o efeito zeno quântico para um sistema atômico de dois níveis que foi interrogado durante sua evolução. Aproximadamente 5.000 íons 9 Be + foram armazenados em uma armadilha Penning cilíndrica e resfriados a laser abaixo de 250 mK. Um pulso de RF ressonante foi aplicado, o qual, se aplicado sozinho, faria com que toda a população do estado fundamental migrasse para um estado excitado . Depois que o pulso foi aplicado, os íons foram monitorados para fótons emitidos devido ao relaxamento. A armadilha de íons foi então regularmente "medida" aplicando uma sequência de pulsos ultravioleta durante o pulso de RF. Como esperado, os pulsos ultravioleta suprimiram a evolução do sistema para o estado excitado. Os resultados estão de acordo com os modelos teóricos. Uma revisão recente descreve o trabalho subsequente nesta área.

Em 2001, Mark G. Raizen e seu grupo da Universidade do Texas em Austin observaram o efeito zeno quântico para um sistema quântico instável, conforme proposto originalmente por Sudarshan e Misra. Eles também observaram um efeito anti-Zeno. Átomos de sódio ultracold foram aprisionados em uma rede óptica de aceleração , e a perda devido ao tunelamento foi medida. A evolução foi interrompida pela redução da aceleração, parando assim o tunelamento quântico . O grupo observou a supressão ou aumento da taxa de decaimento, dependendo do regime de medição.

Em 2015, Mukund Vengalattore e seu grupo na Universidade Cornell demonstraram um efeito zeno quântico como a modulação da taxa de tunelamento quântico em um gás de rede ultracold pela intensidade da luz usada para gerar imagens dos átomos.

O efeito zeno quântico é usado em magnetômetros atômicos comerciais e, naturalmente, pelo mecanismo sensorial de bússola magnética de pássaros ( magnetorecepção ).

Ainda é uma questão em aberto quão perto alguém pode se aproximar do limite de um número infinito de interrogações devido à incerteza de Heisenberg envolvida em tempos de medição mais curtos. Foi demonstrado, no entanto, que as medições realizadas em uma frequência finita podem produzir efeitos Zeno arbitrariamente fortes. Em 2006, Streed et al. no MIT observou a dependência do efeito Zeno nas características do pulso de medição.

A interpretação dos experimentos em termos do "efeito Zeno" ajuda a descrever a origem de um fenômeno. No entanto, tal interpretação não traz nenhuma característica principalmente nova não descrita com a equação de Schrödinger do sistema quântico.

Ainda mais, a descrição detalhada de experimentos com o "efeito Zeno", especialmente no limite de alta frequência de medições (alta eficiência de supressão de transição ou alta refletividade de um espelho estriado ) geralmente não se comportam como esperado para uma medição idealizada .

Foi mostrado que o efeito zeno quântico persiste nas interpretações de muitos mundos e estados relativos da mecânica quântica.

Veja também

Notas

Referências

links externos

  • Zeno.qcl Um programa de computador escrito em QCL que demonstra o efeito Quantum Zeno