耶魯科學家驗證量子躍遷確屬連續(xù)過程 并成功開發(fā)量子躍遷預測機制

描述微觀世界的量子力學在約一個世紀前剛問世那會，代表著一些與經(jīng)典理論完全相悖的，被當時的物理學家們稱為是“激進”的反直覺思想，其中相當著名的一個便是“量子躍遷（Quantum Leap）”，即一個量子系統(tǒng)在兩個量子態(tài)間的轉(zhuǎn)換過程。

雖然有部分較為純粹的物理學家認為這個詞存在歧義，但由于粒子在兩個量子態(tài)間轉(zhuǎn)換的過程中所需的能量極少，此前包括很多量子領域先驅(qū)人物在內(nèi)的物理學家都曾一度將這一過程默認為是“瞬間發(fā)生的”。

然而就在最近，一項由耶魯大學主導的新研究表明，量子躍遷其實是一個如快放電影般的連續(xù)過程，而不是人們此前所想的那種“瞬間發(fā)生”的非連續(xù)事件。研究由耶魯大學納米級應用物理實驗室主管，Michel Devoret 的學生 Zlatko Minev 領導，結果已于近日發(fā)表在 Nature 雜志上。

在研究中，研究人員通過特制的高速監(jiān)測系統(tǒng)，成功捕捉到了量子躍遷將要發(fā)生的起始時間，并以此在量子躍遷進行到一半的時候人為逆轉(zhuǎn)量子態(tài)的轉(zhuǎn)換過程，使系統(tǒng)恢復到其初始態(tài)，實現(xiàn)了對此前被認為是“不可避免且完全隨機”的量子態(tài)轉(zhuǎn)換過程的量化操控。

圖丨量子躍遷是一個極快的漸進過程。（來源：Quanta Magazine，qoncha）

離散與隨機

量子物理學家馬克思波恩（Max Born）曾表示：“量子躍遷，表面上看是一個物理學問題，其實卻是一個與人類認知相關的哲學問題。”

量子躍遷的“瞬發(fā)性”最早由包括尼爾斯波爾（Niels Bohr）和沃納海森堡（Werner Heisenberg）等早期量子物理學家于上世紀 20 年代提出，是哥本哈根學派量子力學理論的核心支柱之一。

波爾認為，原子中每個電子的能級都是“量子化的”（quantized，此處可以近似理解為是“量化的”，因為量子化本身指的其實是一個 quanta 對應一個特定的能量值），因此電子能級躍遷所需的能量也是“量子化”的，僅有當入射能量的大小等于特定的值時電子的能級躍遷才會發(fā)生，他提出，這一過程能由“電子吸收和放出攜帶合適大小能量的光子”來完成，并以此解釋了不同原子的吸收和放射光譜會呈現(xiàn)出不同特征（即吸收和放射的光線的波長差異）。

波爾和海森堡于上世紀 20 年代起開始著手研究粒子量子行為背后的數(shù)學原理。其中，海森堡所建的模型能夠計算出一個粒子的所有“可被允許的”量子態(tài)，但把這些量子態(tài)間的轉(zhuǎn)換假設為了一種非連續(xù)的離散過程，并由此引出了根本哈根學派基本假設之一的“量子躍遷”概念。

但埃爾溫薛定諤（Erwin Schr?dinger）對此并不贊同，并于后來對此提出了用于連續(xù)地量化描述粒子狀態(tài)的薛定諤方程（也就是波函數(shù)或波方程）。

具有連續(xù)性的波函數(shù)實質(zhì)上可以被看作是海森堡離散量子態(tài)模型的一個替代模型，在物理上表示一個量子系統(tǒng)所處的狀態(tài)，而其波狀外形也會隨時間的推移而發(fā)生連續(xù)性的變化（就好比是海面上的波浪）。薛定諤認為，由于當時間等于零時他模型中并沒有體現(xiàn)出海森堡模型中的“瞬間轉(zhuǎn)換”，“量子躍遷”在現(xiàn)實中其實并不存在。

事實上，“量子躍遷”的問題還僅限于它的“不連續(xù)性”，其發(fā)生的時間在海森堡模型中也被認為是“完全隨機”的，即海森堡模型能解釋為何量子躍遷要在某一特定時刻發(fā)生，認為這是現(xiàn)實的一種內(nèi)置隨機性。

這一觀點遭到了薛定諤和愛因斯坦的反對，認為這種基于隨機性的宇宙是荒謬的，而“量子躍遷”問題也因此從一個物理問題因此上升成了一個哲學問題。

繞開觀測難題

1986 年，有三個團隊最早觀測到了單個原子的量子態(tài)轉(zhuǎn)換，具體來說，是被電磁場懸浮于空中的單個原子在“明”（可放出光子）與“暗”（不可放出光子）兩個態(tài)間的轉(zhuǎn)換。

在觀測中，原子會在一個狀態(tài)下維持十幾分之一秒到數(shù)秒，然后發(fā)生“躍遷”轉(zhuǎn)換為另一種狀態(tài)。此后，也陸陸續(xù)續(xù)也有很多別的團隊觀測到了這種轉(zhuǎn)換，而在所有這些實驗中，這種量子態(tài)間的轉(zhuǎn)換過程在對量子系統(tǒng)的監(jiān)控過程中看起來的確像是完全隨機和突然的，但此次耶魯大學的新實驗在觀測設定上通過盡可能的利用可獲取的信息并確保這些信息不會在系統(tǒng)被測量前被泄露，使科學家能密切跟蹤單次量子態(tài)轉(zhuǎn)換過程，并預測出每次轉(zhuǎn)換將會于何時發(fā)生。

具體來說，此次研究中所使用的量子系統(tǒng)是一個遠大于單個原子，由超導材料導線所制成的“人造原子”，這種人造原子具有與真實原子中電子能級相似的量子態(tài)，能通過吸收或發(fā)射光子來完成在不同量子態(tài)間的轉(zhuǎn)換。

圖丨Michel Devoret (左) 與其學生 Zlatko Minev（右）在實驗所用的低溫恒溫器前的合影。（來源：Yale Quantum Institute）

Devoret 的團隊希望能通過實驗觀察到人造原子在基態(tài)（最低能級）和激發(fā)態(tài)間的轉(zhuǎn)換，但由于觀測會使波函數(shù)發(fā)生坍縮，這種轉(zhuǎn)換并不能被直接觀察，團隊需要在維持系統(tǒng)連續(xù)性的情況下設法從側面觀測這種轉(zhuǎn)換。

為此，Devoret 的團隊設計了一個涉及第二激發(fā)態(tài)的方法。在該方法中，系統(tǒng)可以通過吸收帶有特定能量的光子從基態(tài)變至第二激發(fā)態(tài)，而研究人員則能通過將超導電路放置在一個光學腔室（可反射特定波長的光子）內(nèi)，使處于“明”態(tài)的系統(tǒng)在腔室內(nèi)具有能被探測到的特定光子散射方式，來判斷系統(tǒng)是否處于第二激發(fā)態(tài)（可被觀測的態(tài)），進而判定系統(tǒng)是否處于“暗”態(tài)（不可被觀測的態(tài)）并以此間接對系統(tǒng)在量子態(tài)間的轉(zhuǎn)換進行觀測。

未參與此項研究的物理學家 William Oliver 說：“這一設計的關鍵在于，這種測量能使科研人員在不對系統(tǒng)進行直接測量的情況下獲取與系統(tǒng)狀態(tài)有關的信息，通過僅調(diào)查系統(tǒng)是否處于‘明’或‘暗’態(tài)來維持系統(tǒng)在量子態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的量子相干性?！監(jiān)liver 表示，這種設計與量子計算機中所需的高效糾錯方法密切相關，因為二者在本質(zhì)上其實都是為了維持系統(tǒng)的相干性。

Devoret 表示，除了設計上的創(chuàng)新，實驗還驗證了量子測量并非與原子探頭所引發(fā)的函數(shù)波動相關，而是直接與系統(tǒng)本身的狀態(tài)相關。

觀測躍遷

Devoret 的團隊在實驗過程中觀測到了系統(tǒng)的“明”態(tài)隨時間衰減，并在約 100 微秒后恢復為其原本的強度，但負責顯示系統(tǒng)處于“明”態(tài)的反饋器（一個會發(fā)出滴答聲的儀器）會每隔數(shù)百微秒停止反饋。

研究人員認為，在反饋器停止反饋的時間段內(nèi)，系統(tǒng)應該已經(jīng)經(jīng)歷了從“明”態(tài)到“暗”態(tài)的轉(zhuǎn)變，因此，研究認員能夠借助反饋器從有反饋到無反饋的時間長度信息（比如兩次滴答聲間相隔的時間要遠大于此前的一般間隔時間），計算出量子躍遷的預計發(fā)生時間。

雖然研究人員實現(xiàn)了通過反饋器預測量子躍遷的發(fā)生時間，但團隊發(fā)現(xiàn)，即使實驗關掉“用于誘導躍遷發(fā)生的光子”，系統(tǒng)依然能在“明”和“暗”兩種量子態(tài)間相互轉(zhuǎn)換，因此，盡管躍遷事件本身在光子源被關掉后是隨機的，躍遷發(fā)生的過程仍在一定程度上是確定的。

團隊在關閉光子源后以等細分的時間間隔為分辨率，對“是否會出現(xiàn)波爾和海森堡所提出的完全隨機的瞬間量子躍遷”進行了重點研究，結果發(fā)現(xiàn)量子躍遷在現(xiàn)實中確是連續(xù)的，即使即使直接觀測可導致系統(tǒng)被觀測到正處于某一特定態(tài)，但系統(tǒng)在躍遷過程中實際上是處于由可能結果態(tài)（如“明”和“暗”）所構成的疊加態(tài)，而隨著躍遷過程的進一步發(fā)生，系統(tǒng)處于結果態(tài)的概率會變得越來越大，處于初始態(tài)的概率會變的越來越小，導致觀測結果越來越趨向于結果態(tài)。

在實際操作中，團隊通過使用一種名為“重建層析成像（tomographic reconstruction）”的研究方法，計算出了系統(tǒng)疊加態(tài)中“明”和“暗”兩種態(tài)所占的比重，并在數(shù)微秒的躍遷發(fā)生期內(nèi)對比重變化進行了觀測，發(fā)現(xiàn)兩種態(tài)的比重確是逐漸變化的，而非突然（瞬間）增大或減小到某一特定值。

此外，由于系統(tǒng)量子躍遷的持續(xù)時間足夠長，研究人員可以在實際“捕捉”到這一轉(zhuǎn)變過程后通過向光學腔室內(nèi)發(fā)射光子來控制系統(tǒng)的躍遷過程，使其返回轉(zhuǎn)換開始前的初始態(tài)。

啟示

William Oliver 說：“耶魯?shù)倪@項研究表明，量子躍遷確是一個會隨時間推移而展開的真實物理事件?！?/p>

德國亞琛大學（Aachen University）量子信息專家 David DiVincenzo 表示，躍遷的連續(xù)性其實在理論研究中是量子軌跡理論的產(chǎn)物之一。DiVincenzo 說：“這很神奇，因為我們此前并未對量子軌跡理論予以太多的重視，但此次的實驗結果與它的預測相比是如此一致?！?/p>

Devoret 說：“此前，還從未有人通過巧妙設置信號反饋實現(xiàn)過量子躍遷發(fā)生可能性的計算，而現(xiàn)在，量子躍遷事件就好比是火山噴發(fā)，火山的每次噴發(fā)都是不可預測的，但我們可以通過火山的非典型靜止期來判斷它是否會在將來發(fā)生大規(guī)模噴發(fā)事件。”

Devoret 表示，研究結果將很可能會在未來被用于量子傳感技術，比如確保原子鐘的走速與原子轉(zhuǎn)換頻率同步。

DiVincenzo 認為，該研究或許也能被用在量子計算機糾錯中，雖然目前離實際應用還有一段距離，但凡事總有開頭。

總的來說，雖然此次耶魯?shù)难芯咳〉昧艘恍┩黄菩赃M展，但我們對量子力學的了解仍是一團糟，比如雖然薛定諤在“量子躍遷是連續(xù)的”這一點上的確是對的，但量子躍遷的發(fā)生在目前看來卻仍是隨機的。