环境诱导超选择

✍ dations ◷ 2025-09-10 07:00:57 #量子力学,量子测量,涌现

在量子力学里，环境诱导超选择指的是，开放量子系统与外在环境的相互作用限制了对于这量子系统实际能够被实际观测到的物理量:6。波兰物理学者沃杰克‧祖瑞克（英语：Wojciech Zurek）给出环境诱导超选择的英文命名（environment-induced superselection，简写为einselection）。在本条目里，简称为“超选择”。

与早期量子力学（1930年代以前）所注重的孤立量子系统不同，开放量子系统可以与外在环境相互作用。在量子系统与外在环境的相互作用下，每个能够被真实观测到的物理量，会对应地存在一组本征态，在这里称为“优化态”，它们所组成的正交归一基称为“优化基”。由于这相互作用，它们会显得耐久不变，不会各自与环境发生量子纠缠，而另外一些非优化态却显得脆弱不堪，在短暂时间内就会因为量子退相干而被消灭殆尽。这过程展示出，环境怎样诱导出有效的超选择规则，从而发挥出其监督角色；这过程也自然地说明，为什么在经典力学里，只能观测到一些经典物理量，例如位置、动量等等。:6, 73

超选择促使优化态所形成的量子叠加行为不能稳定存在。优化态可以被视为“准经典态”。由于它们能够安然无恙地通过退相干过程，超选择可以相当合理地说明经典世界如何从量子世界出现。:74

在开放量子系统与环境的相互作用之下，主要会产生两种互补的后果：:6:3

当开放量子系统与环境相互作用时，为什么环境会青睐优化态，又会压抑其它量子态？:72-76

假设在一个开放量子系统里，有两个正交的量子态 $|\psi _{1}\rangle$ $|\psi _{1}\rangle$ 、 $|\psi _{2}\rangle$ $|\psi _{2}\rangle$ ，它们共同形成标准正交基 $\{|\psi _{i}\rangle ,\ i=1,2\}$ $\{|\psi _{i}\rangle ,\ i=1,2\}$ ，例如，它们可以分别代表粒子移动于两种不同的路径。按照冯诺伊曼量子测量纲要（英语：Von Neumann measurement scheme），它们与环境态的共同演化式表示为（在这里，环境的功能就好似测量仪器）

其中， $|E_{0}\rangle$ $|E_{0}\rangle$ 是初始的环境态， $|E_{1}\rangle$ $|E_{1}\rangle$ 、 $|E_{2}\rangle$ $|E_{2}\rangle$ 是演化后的环境态。

注意到量子态 $|\psi _{1}\rangle$ $|\psi _{1}\rangle$ 、 $|\psi _{2}\rangle$ $|\psi _{2}\rangle$ 不会因为开放系统与环境相互作用而改变，因此，环境可以被想像为正在进行一种理想测量，称为量子非破坏性测量（英语：quantum nondemolition measurement）。环境态 $|E_{0}\rangle$ $|E_{0}\rangle$ 会因为系统量子态的不同而演化为不同的环境态 $|E_{1}\rangle$ $|E_{1}\rangle$ 、 $|E_{2}\rangle$ $|E_{2}\rangle$ 。

设定叠加态 $|\psi _{+}\rangle$ $|\psi _{+}\rangle$ 、 $|\psi _{-}\rangle$ $|\psi _{-}\rangle$ 分别为

遵守冯诺伊曼量子测量纲要， $|\psi _{\pm }\rangle$ $|\psi _{{\pm }}\rangle$ 与环境相互作用的演化式为

假设 $\langle E_{1}|E_{2}\rangle =1$ $\langle E_{1}|E_{2}\rangle =1$ ，则 $|E_{1}\rangle$ $|E_{1}\rangle$ 就是 $|E_{2}\rangle$ $|E_{2}\rangle$ ，两个环境态完全重叠，整个系统的量子态可以写为两个纯态的张量积：

这意味着量子系统与环境彼此之间不存在量子纠缠。对于环境做测量，无法从测量结果推断量子系统是处于量子态 $|\psi _{1}\rangle$ $|\psi _{1}\rangle$ 或 $|\psi _{2}\rangle$ $|\psi _{2}\rangle$ 。量子系统的相干性仍旧停留在量子系统哩，没有退定域至整个系统。

假设 $\langle E_{1}|E_{2}\rangle$ $\langle E_{1}|E_{2}\rangle$ 趋于零，即 $|E_{1}\rangle$ $|E_{1}\rangle$ 、 $|E_{2}\rangle$ $|E_{2}\rangle$ 相互正交，没有任何部分相互重叠。现假若得知环境态是 $|E_{1}\rangle$ $|E_{1}\rangle$ ，则系统量子态就是 $|\psi _{1}\rangle$ $|\psi _{1}\rangle$ ，假若得知环境态是 $|E_{2}\rangle$ $|E_{2}\rangle$ ，则系统量子态就是 $|\psi _{2}\rangle$ $|\psi _{2}\rangle$ 。因此，从经典的宏观环境态可以得知开放系统的微观量子态是 $|\psi _{1}\rangle$ $|\psi _{1}\rangle$ 或 $|\psi _{2}\rangle$ $|\psi _{2}\rangle$ 。

由于 $|\psi _{\pm }\rangle$ $|\psi _{{\pm }}\rangle$ 与环境的相互作用，开放系统原本独有的量子叠加已扩散至整个系统（开放系统＋环境），开放系统与环境之间发生量子纠缠。

设想 $|\psi _{+}\rangle$ $|\psi _{+}\rangle$ 、 $|\psi _{-}\rangle$ $|\psi _{-}\rangle$ 的量子叠加：

其中， $\alpha _{+}$ $\alpha _{+}$ 、 $\alpha _{-}$ $\alpha _{-}$ 分别是系统处于叠加态 $|\psi _{+}\rangle$ $|\psi _{+}\rangle$ 、 $|\psi _{-}\rangle$ $|\psi _{-}\rangle$ 的概率幅。

由于 $|\alpha \rangle$ $|\alpha \rangle$ 与环境相互作用，因此演化为

在量子退相干的机制里， $\langle E_{1}|E_{2}\rangle$ $\langle E_{1}|E_{2}\rangle$ 趋于零，假若环境态是 $|E_{1}\rangle$ $|E_{1}\rangle$ ，系统量子态就是 $|\psi _{1}\rangle$ $|\psi _{1}\rangle$ ，假若环境态是 $|E_{2}\rangle$ $|E_{2}\rangle$ ，系统量子态就是 $|\psi _{2}\rangle$ $|\psi _{2}\rangle$ 。从经典的宏观环境态可以得知开放系统的微观量子态是 $|\psi _{1}\rangle$ $|\psi _{1}\rangle$ 或 $|\psi _{2}\rangle$ $|\psi _{2}\rangle$ ，但无法得知是 $|\psi _{+}\rangle$ $|\psi _{+}\rangle$ 或 $|\psi _{-}\rangle$ $|\psi _{-}\rangle$ 。由此可见，在这里，环境青睐量子态 $|\psi _{1}\rangle$ $|\psi _{1}\rangle$ 、 $|\psi _{2}\rangle$ $|\psi _{2}\rangle$ ，而不青睐它们的叠加态 $|\psi _{+}\rangle$ $|\psi _{+}\rangle$ 、 $|\psi _{-}\rangle$ $|\psi _{-}\rangle$ 。类似的分析可以将这结果推广至任意叠加态。在这里， $|\psi _{1}\rangle$ $|\psi _{1}\rangle$ 、 $|\psi _{2}\rangle$ $|\psi _{2}\rangle$ 是环境的优化态，环境扮演着监督角色。

从优化态与环境态的共同演化式可以观察到， $|\psi _{1}\rangle$ $|\psi _{1}\rangle$ 、 $|\psi _{2}\rangle$ $|\psi _{2}\rangle$ 不会与环境发生量子纠缠，它们只会分别与环境形成直积态 $|\psi _{1}\rangle |E_{1}\rangle$ $|\psi _{1}\rangle |E_{1}\rangle$ 、 $|\psi _{2}\rangle |E_{2}\rangle$ $|\psi _{2}\rangle |E_{2}\rangle$ ，由 $|\psi _{1}\rangle$ $|\psi _{1}\rangle$ 、 $|\psi _{2}\rangle$ $|\psi _{2}\rangle$ 组成的叠加态也会因量子退相干而快速地消声匿迹。因此，可以推论，选择优化态的判据是，在与环境相互作用下，优化态最不会与环境发生量子纠缠，最能够不被量子退相干。这判据称为“稳定判据”，这种选择优化态的方法称为“环境诱导超选择”，简称为“超选择”。

先前提到，环境可以被想像为正在做一种量子非破坏性测量，其所测量的物理量称为“优化可观察量”，环境超选择出优化可观察量。对应于优化态的物理量很容易做测量，例如，路径、位置、动量等等；对应于叠加态的物理量很难做测量获得，因为叠加态会因量子退相干而快速地消声匿迹。

在开放系统与外在环境的相互作用下，假若知道环境态，就可以知道优化态；从读取环境态，就可以知道开放系统的状况，如同读取仪器示数盘的指针所指向的数目，因此，优化态被称为“指针态”。由几个近似正交的指针态所组成的基底称为“指针基”。

优化态能够耐久不变地存在，因此，又被称为“准经典态”。

如右图所示，双缝路径实验是双缝实验的变版。在双缝实验里，从粒子源 $\mathrm {S}$ ${\mathrm {S}}$ 发射出来的相干粒子束，照射在一块刻有两条狭缝 $\mathrm {S1}$ ${\mathrm {S1}}$ 和 $\mathrm {S2}$ ${\mathrm {S2}}$ 的不透明挡板。在挡板后方有探测屏。粒子抵达探测屏的辐照度会呈黑白相间的条纹，这是粒子的干涉图样，展示于示意图最右边。现在，在挡版后面用激光照射，如果激光的光子被粒子散射，然后被光子探测器吸收，则可大致知道粒子到底是经过哪条狭缝，因为经过狭缝 $\mathrm {S1}$ ${\mathrm {S1}}$ 的粒子通常会使得光子被探测器 $\mathrm {D1}$ ${\mathrm {D1}}$ 吸收，而经过狭缝 $\mathrm {S2}$ ${\mathrm {S2}}$ 的粒子通常会使得光子被探测器 $\mathrm {D2}$ ${\mathrm {D2}}$ 吸收。由于粒子会被光子搅扰，因此改变轨道，所以原本的干涉图样会变得较为模糊，甚至完全消失，其变化状况依粒子路径的分辨程度而定，而分辨程度与激光的辐照度有关。:63-65

设定 $|\psi _{1}\rangle$ $|\psi _{1}\rangle$ 、 $|\psi _{2}\rangle$ $|\psi _{2}\rangle$ 分别为粒子从狭缝 $\mathrm {S1}$ ${\mathrm {S1}}$ 、狭缝 $\mathrm {S2}$ ${\mathrm {S2}}$ 经过的量子态。在两个狭缝的后方分别有探测器 $D1$ $\text{[math]}$

相关

拿破仑对俄国的进攻法兰西帝国西班牙王国（英语：Kingdom of Spain under Joseph Bonaparte）俄法战争，又称拿破仑征俄战争，是指俄罗斯帝国和拿破仑治下的法兰西第一帝国在1812年爆发的一场战争，是拿破
脱古思帖木儿元天元帝脱古思帖木儿（蒙古语：.mw-parser-output .font-mong{font-family:"Menk Hawang Tig","Menk Qagan Tig","Menk Garqag Tig","Menk Har_a Tig","Menk Scnin Tig","Oyun
法兰克法兰克王国（拉丁语：Regnum Francorum；法语：royaume des Francs；意为“法兰克人的王国”）是5世纪至9世纪在西欧和中欧的一个王国，其疆域与罗马帝国在西欧的疆域基本相同。法兰克王国
鼻白蚁科鼻白蚁科（学名：Rhinotermitidae）是土木两栖白蚁，由于种类多分布广，在等翅目分类系统中占有重要地位。头有囟，触角13～25节，前胸背板平坦，窄于头，足跗节4节，爪缺中垫，尾须2节。有翅成虫和
1920年代1920年代，是指二十世纪的第三个十年。
南非联邦南非联邦（英语：Union of South Africa，荷兰语：Unie van Zuid-Afrika，南非语：Unie van Suid-Afrika）为现今南非共和国的前身。1910年5月31日，四个英国殖民地——开普殖民地、纳塔尔殖
SA-6导弹SA-6机动式中低空中程野战地对空导弹系统，苏联代号2K12 立方体，或音译‘卡勃’；或译作‘库班河’（Kub, Russian "Куб"）。1959年开始由苏联托罗波夫OKB-134特种工程设计局研制，
氯丁二烯氯丁二烯，即2-氯-1,3-丁二烯，化学式为CH2=CCl-CH=CH2。它在室温下是无色液体，主要用作生产氯丁橡胶的单体。氯丁二烯的工业生产以丁二烯为原料，涉及三步：1983年用此法制得的氯丁
安妮·里维尔安妮·里维尔（英语：Anne Revere，1903年6月25日－1990年12月18日）是美国演员，她曾获得奥斯卡最佳女配角奖。安妮·里维尔是保罗·里维尔的后代。
黄志遴黄志遴，字铨士，号鸥湄，福建晋江人。清初政治人物。黄熙孕之子。黄志遴于顺治三年（1646年）中式丙戌科二甲第九名进士。选庶吉士，散馆授弘文院编修。顺治十二年，任湖广布政使。后改任