Quantum To Classical Transition

Thumbnail Image

Files

Järnefelt_Joel_2025.pdf (537.81 KB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Perustieteiden korkeakoulu | Bachelor's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-01-17

Department

Major/Subject

Teknillinen fysiikka

Mcode

SCI3028

Degree programme

Teknistieteellinen kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

36

Series

Abstract

In this bachelor’s thesis we study the effect of decoherence on quantum properties. In this thesis, the nature of decoherence is explored along with its mathematical representation. With this knowledge, implications of decoherence are pointed out, namely the disappearance of certain quantum properties on entangled systems. This is shown in a simple way first and then a more general framework in the form of the master equation is presented. As the effect of decoherence in quantum mechanics is noticeable, a section on interpretations of quantum mechanics has also been added. In this section we discuss the relative state interpretation, or more colloquially known as the many words interpretation, and its attempt of addressing some of the foundational issues in quantum mechanics, such as the measurement postulate. To this end, we discuss about a particular scientific paper on a relative state interpretation which introduces concept called envariance. We will see how this concept can shed some light on the measurement postulate. In the final section we discuss the experimental aspect of decoherence research. Two experiments are presented: interferometry on C70 molecules and decoherence in SQUIDs. C70 interferometry is very similar to double slit experiment as it seeks to find interference patterns between non-decohered C70 plane waves. Since the wavelength of these particles is very small due to their large mass, ordinary double slit experiments do not work and more sophisticated experimental setups are shown. From results of this experiment we can see that the interactions between air molecules and C70 particles as well as the temperature of C70 molecule are directly correlated with the intensity of the interference pattern and thus the quantum nature of these particles. The final experiment uses SQUIDs, which are essentially very small superconducting current loops. Small is a relative term though since a clockwise or a counterclockwise current rotation corresponds to a movement of billions of electrons. In this experiment the current is put in a quantum superposition, where the current goes clockwise and counterclockwise at the same time and then its decoherence is studied with Ramsey interferometry. With this technique we can track the decay of the superposition at every step in the course of ∼ 50 nanoseconds.

Dekoherenssi (engl. Decoherence) on kvanttimekaaninen tapahtuma, jossa kvanttijärjestelmä menettää kvanttimekaanisia ominaispiirteitään. Tässä työssä perehdytään ilmiöön matemaattisesti, selvitetään sen fysikaalista merkitystä, ja pyritään käyttämään sitä selittämään eroja kvanttimekaanisessa ja klassisessa fysiikassa. Dekoherenssi esitellään johtamalla se kvanttimekaniikan omasta formalismista. Joitain periaatteita, kuten ympäristön valitsemat ominaiskannat (engl. Environment Induced Superselection) johdetaan yleisellä tasolla. Tämän tuloksen sekä muiden yleispätevien dekoherenssin perusominaisuuksien avulla voidaan havaita tiettyjä dekoherenssin vaikutuksia, jotka pätevät lähes kaikissa kvanttijärjestelmissä. Näitä ovat muun muassa avaruudellisten koherenssien katoaminen laajemmissa mittaskaaloissa. Lisäksi työssä johdetaan perusyhtälön (engl. Master equation) yleinen muoto. Tämän tuloksen avulla voidaan johtaa dekoherenssikorjattuja liikeyhtälöitä systemaattisella tavalla. Mallia havainnollistetaan johtamalla kvanttimekaaninen vastine Brownin liikkeelle. Koska dekoherenssin vaikutus kvanttimekaniikassa on merkittävä, tutkielmaan on sisällytetty osio kvanttimekaniikan tulkinnoista. Käsiteltäväksi valittu tulkintasuuntaus on suhteellisten tilojen tulkinta, jota kutsutaan arkikielisesti monimaailmatulkinnaksi (engl. Many Worlds Interpretation). Sen avulla pyritään vastaamaan joihinkin kvanttimekaniikan peruskysymyksiin, kuten mittauspostulaattiin. Oleellisessa osassa monimaailmatulkinnan ymmärtämistä tarkastellaan erästä lähestymistapaa, joka käsittelee suhteellisten tilojen tulkintaan liittyvää konseptia nimeltä envarianssi (engl. Envariance) ja sen yhteyttä dekoherenssiin. Tulokset ilmentävät dekoherenssin antavan vaihtoehtoisen selityksen mittauspostulaatille. Dekoherenssi-ilmiötä voidaan tutkia myös kokeellisesti. Kandintyössä tutkitaan kahta koetta jotka käsittelevät dekoherenssia. Näitä ovat: C70-molekyylien interferometriakoe ja dekoherenssi SQUID-komponenteissa. C70-interferometriakoe muistuttaa perinteistä kaksoisrakokoetta, sillä sen tarkoituksena on havaita interferenssikuvioita ei-dekoheroituneiden C70-tasoaaltojen välillä. Näiden hiukkasten aallonpituus on kuitenkin niiden suuren massan vuoksi pieni, joten tavalliset kaksoisrakokokeet eivät ole käyttökelpoisia. Tämän vuoksi kokeessa käytetään monimutkaisempia kokeellisia asetelmia. Kokeen tulokset osoittavat, että ilman molekyylien ja C70-hiukkasten väliset vuorovaikutukset sekä C70-molekyylin lämpötila ovat suoraan yhteydessä interferenssikuvion voimakkuuteen ja siten näiden hiukkasten kvanttiluonteeseen. Toinen koe tutkii dekoherenssia SQUID-komponenteissa, jotka ovat pieniä suprajohteisia virtasilmukoita. Pieni on suhteellinen käsite, sillä myötä- tai vastapäivään kiertävä virtapiiri vastaa noin miljardin elektronin liikettä. Tässä kokeessa virta asetetaan kvanttisuperpositioon, jossa virta kulkee samaan aikaan sekä myötä- että vastapäivään, ja sen dekoherenssia tutkitaan Ramsey-interferometrian avulla. Tällä tekniikalla voidaan seurata superposition hajoamista jokaisessa vaiheessa noin 50 nanosekunnin ajan.

Description

Supervisor

Martikainen, Jani-Petri

Thesis advisor

Martikainen, Jani-Petri

Keywords

quantum physics, decoherence, open quantum systems, correspondence principle

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202501211499

Collections

[kand] Perustieteiden korkeakoulu / SCI