Un sous-système quantique d'intérêt qui interagit avec des degrés de liberté externes (l'environnement ou bain), dont l'évolution d'état réduite est non unitaire et se décrit par des opérateurs densité, des traces partielles et des équations maîtres plutôt que par la dynamique isolée de Schrödinger.

Principe

Le système total plus environnement évolue unitairement, mais la trace sur les degrés environnementaux donne une dynamique réduite du sous-système qui peut inclure décohérence, dissipation et effets mémoire non markoviens ; la séparation système–environnement est un choix de modélisation guidé par les échelles et observables pertinentes.

Démonstration

Un spin (le système) couplé à de nombreux oscillateurs harmoniques (le bain) produit une dynamique capturée par une matrice densité réduite obéissant à une équation maître de Lindblad ou généralisée ; les vitesses de relaxation et de déphasage se déduisent de la densité spectrale du bain et des opérateurs de couplage.

Mauvaise application

Traiter un sous-système ouvert comme fermé et appliquer des portes unitaires sans tenir compte des erreurs induites par l'environnement ; ou idéaliser excessivement l'environnement comme sans mémoire alors que de fortes corrélations produisent des rétroactions non markoviennes invalidant les prédictions simples de l'équation maître.

Conséquence

L'ouverture impose l'usage de formalismes d'état réduit, introduit des processus irréversibles qui limitent la cohérence et la fidélité, et nécessite la modélisation du bruit, l'ingénierie de réservoirs ou des stratégies de correction d'erreur pour le contrôle et le traitement fiable de l'information.

Inversion

La limite de système fermé (pas de couplage ou système parfaitement isolé) récupère la dynamique unitaire de Schrödinger ; des inversions partielles sont possibles par ingénierie de l'environnement ou exploitation de corrélations système–environnement pour des opérations de récupération conditionnelle.

Limite

La définition dépend de la partition choisie : degrés internes traités comme système versus environnement ; exclut par construction les systèmes isolés et exige la spécification du couplage, des propriétés du bain et des échelles de temps pour que des approximations comme la markovité soient valides.

Tension sémantique

Il existe une tension sur l'emplacement de la coupure système–environnement : traiter un composite plus vaste comme système peut convertir une décohérence apparente en dynamique unitaire interne, modifiant ce qui est qualifié d'« ouvert » ou de « fermé ».

Synthèse

Un système quantique ouvert est tout sous-système dont la dynamique effective découle de l'évolution unitaire dans un espace de Hilbert plus grand suivie de l'élimination des variables d'environnement, produisant un comportement non unitaire et souvent irréversible modélisé par des matrices densité et équations maîtres.