[論文レビュー] The quantum-to-classical transition and decoherence

Maximilian Schlosshauer|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2014

Quantum Mechanics and Applications参考文献 10被引用数 25

ひとこと要約

本稿は、量子から古典への転移を駆動する中心的メカニズムとしてのデコherenceについて、包括的で教育的な概説を提供している。環境とのエンタングルメントが量子干渉を抑制し、古典的状態に類似した状態を選択することを説明している。デコherenceの形式的枠組み、量子情報処理における役割、基礎的意義を詳細に述べ、測定問題を直接解くものではないが、古典的行動の動的説明を可能にしていることを示している。

ABSTRACT

I give a pedagogical overview of decoherence and its role in providing a dynamical account of the quantum-to-classical transition. The formalism and concepts of decoherence theory are reviewed, followed by a survey of master equations and decoherence models. I also discuss methods for mitigating decoherence in quantum information processing and describe selected experimental investigations of decoherence processes.

研究の動機と目的

• デコherenceを量子から古典への転移の動的メカニズムとして、教育的導入を提供すること。
• オープン量子系におけるデコherenceと古典的散逸・ノイズの違いを明確にすること。
• マスター方程式、デコherenceモデル、原子的・光子的・超伝導的系における実験的実現を網羅すること。
• 量子情報処理におけるデコherenceの役割、特にエラー訂正とエラー回避戦略を検討すること。
• デコherenceの基礎的意義を検討し、特に量子ダーウィニズムと優先基底問題に関連して考察すること。

提案手法

• 縮約密度行列と環境由来の超選択によるデコherenceの形式的枠組みをレビューし、指標状態と可換性基準に重点を置く。
• ボルン＝マルコフおよびリンブレッド形式のマスター方程式を分析し、オープン量子系のダイナミクスを記述する。
• デコherenceモデルにおける非マルコフ的効果と時不変非局所的ダイナミクスを検討する。
• 衝突によるデコherence、量子ブラウン運動、スピン・ボソン、スピン・環境系といった具体的なモデルにデコherence理論を適用する。
• 量子エラー訂正とダイナミカル・デカップリングを、キュービットにおけるデコherenceを軽減する手法として導入する。
• 実験的プラットフォームとして、キャビティQED、物質波干渉計、超伝導キュービット（SQUID、コープャー対ボックス）をレビューし、リアルタイムでのデコherence観測を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 環境とのエンタングルメントは、どのように量子干渉を抑制し、古典的行動の出現をもたらすのか？
• RQ2 現実的なオープン系において、デコherenceは量子的・古典的ダイナミクスの区別に果たす役割は何か？
• RQ3 マスター方程式とデコherenceモデルは、異なる物理系におけるコher-enceの減衰を定量的にどのように記述するか？
• RQ4 エラー訂正やダイナミカル・デカップリングによって、量子情報系におけるデコherenceはどのように軽減可能か？
• RQ5 デコherenceは、優先基底問題と量子ダーウィニズムに関して、どのような基礎的洞察を提供するか？

主な発見

• デコherenceは、系を環境の自由度とエンタングルさせることで、量子重ね合わせを効率的に抑制し、実用上非古典的状態が観測不能になる。
• 超伝導キュービットでは、20ナノ秒という短いデコherence時間の測定がなされ、その後の実験では数マイクロ秒のデコherence時間が達成された。
• デコherenceによって選ばれる指標状態は、系-環境相互作用ハミルトニアンと可換となる状態に対応し、古典的観測量の動的基底を提供する。
• デコherenceは測定問題や崩壊仮説を解決しないが、環境への情報損失を通じて測定結果の有効な古典的性質を説明する。
• 量子ダーウィニズムは、指標状態に関する情報が環境に広がることによって生じ、複数の観測者が独立に同じ古典的情報にアクセスできることを説明する。
• 物質波干渉計、キャビティQED、超伝導キュービットにおけるデコherenceの実験的観測は、理論的予測と整合的である、量子振動の徐々なる減衰を確認している。