薛定諤的貓終於有救了 首次觀測到量子躍遷過程

　　來源：科研圈微信公眾號

　　耶魯大學最新發表在 Nature 上的一項研究表明，我們能夠計算出某個時間量子躍遷發生的概率，從而預測「薛定諤的貓」的命運。實驗首次捕捉到了躍遷中的量子系統，這意味著量子躍遷並非玻爾和海森堡所認為的完全隨機、瞬時發生的過程，而是更符合薛定諤的波函數理論。

　　圖片來源：Pixabay

　　來源 Quanta Magazine

　　作者 Philip Ball

　　翻譯 阿金

　　編輯 戚譯引

　　一個世紀以前，當量子力學被首次提出，作為理解原子尺度世界的理論的時候，其中有一個核心概念極為激進、大膽又反直覺，甚至成為了流行語，那就是「量子躍遷」。大家普遍習慣用這個術語來解釋重大變化，但純粹主義者可能會表示反對，因為這樣會忽略一點，就是兩種量子態之間的躍遷通常極其微小，從而無法更早地被注意到。但是真正的重點是，這個現象發生得很突然。事實上，許多量子力學的先驅認為量子躍遷是瞬時的。

　　一項新的實驗表明，事實並非如此。通過一種高速攝影技術，該研究揭示了量子躍遷循序漸進的過程，就跟雪人在太陽底下融化一樣。該研究由耶魯大學（Yale University）的麥克·德沃雷特（Michel Devoret）實驗室的研究生茲拉特科·米涅夫（Zlatko Minev）領導，於 6 月 3 日發表在《自然》（Nature）期刊上。

　　德沃雷特說：「如果我們能夠足夠快速、有效地測量一次量子躍遷，實際上（我們會看到）它是一個連續的過程。」同行們早就激動不已。麻省理工學院（MIT）的物理學家威廉·奧利弗（William Oliver）評論：「這真是一項絕妙的實驗，真的太棒了！」奧利弗本人沒有參與該研究。

　　實驗的意義還遠不止於此。研究人員利用高速檢測系統，成功標記出量子躍遷即將出現的時候，在半路「抓住」它，然後再逆轉，將系統恢復到初始狀態。如此一來，在當年的量子論先驅們眼中物理世界中不可避免的隨機過程，現在被證明是可以控制的。我們能夠掌控量子。

　　過於隨機？

　　上世紀 20 年代中期，物理學家尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）、維爾納·海森堡（Werner Heisenberg）和同事們建立了量子理論，而量子躍遷的瞬時性正是其中的核心支柱，如今這套理論統稱為哥本哈根詮釋（Copenhagen interpretation）。玻爾在早些時候就提出，原子中電子的能級（即能量狀態）是量子化的，也就是說，電子只能使用某些能級，而所有中間能級都被禁止。他假設，電子通過吸收或者釋放光量子顆粒——即光子，改變自己的能量，因為光子具有能量，與允許存在的電子態之間的能隙相匹配。這就解釋了為什麼原子和分子能夠吸收或釋放特定波長的光，比如許多含銅鹽是藍色的，而鈉燈則發出黃色的光。

　　上世紀 20 年代，玻爾和海森堡著手發展一套能夠解釋量子現象的數學理論。海森堡的量子力學列舉了所有允許的量子態，而且隱晦地暗示這些量子態之間的躍遷是瞬時的，用數學家的話來說就是不連續的。「瞬時量子躍遷的概念……成為了哥本哈根詮釋的一個基本理念，」科學史學家瑪拉·貝勒（Mara Beller）如此寫道。

　　另一位量子力學的奠基人，奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）則討厭這個觀點。他所設計的理論，最初看來似乎要替代海森堡對離散的量子態以及瞬時的量子躍遷提出的數學理論解釋。在薛定諤的理論中，他用名為波函數的波狀實體來表示量子粒子，它們的變化是平緩的，隨著時間發生連續變化，好比廣闊海面上平緩的波浪一般。薛定諤認為，真實世界中的事物不會不花一點兒時間就突然大變樣，不連續的「量子躍遷」只是腦海中的一個幻想。在1952年發表的一篇題為「是否存在量子躍遷」（Are there quantum jumps？）的文章中，薛定諤堅定地回答：「不存在。」他還用「量子混球」來稱呼同行，明顯表達了自己的不滿。

　　爭論的焦點不僅僅在於薛定諤不喜歡突然變化。量子躍遷的問題在於，理論聲稱它會隨機發生，還說不出為什麼就是那個特定時機。這就好像一個沒有原因的結果，一個顯而易見的隨機性，無疑是往自然因果律的「心臟」上插上一刀。薛定諤和他的密友阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）都無法接受讓偶然性和不可預測性主導現實最基本的層面。根據德國物理學家馬克斯·玻恩（Max Born）的說法，整個爭論「不僅僅是物理學內部的問題，還關係到整個哲學和人類知識的層面」。換言之，量子躍遷還有很多問題要解決（或者其實沒有問題）。

　　不用看，也能看見

　　為了深入探究，我們需要觀察到單次的量子躍遷。1986 年，三個研究團隊報告發現了量子躍遷，發生在受電磁場作用下懸浮的單個原子中。原子在「亮」態和「暗」態之間來迴轉換，處在「亮」態時原子會發射一個光子，而「暗」態時則不會隨機發射光子；原子在其中某一個狀態下保持幾十分之一秒到幾秒的時間，然後再次發生躍遷。自此之後，人們在不同的系統中觀測到這樣的躍遷，有光子在不同量子態之間的轉換，也有固體材料原子在量子化的磁化狀態之間的躍遷。2007 年，法國的一組科研團隊報告發現了一種躍遷，符合他們所描述的「單個光子從出生、活躍到死亡」的過程。

　　在這些實驗中，躍遷看上去確實是突然又隨機的，因為即使對量子系統進行監測，誰也說不準什麼時候會發生躍遷，也沒有具體圖像顯示躍遷的樣子。然而，耶魯大學團隊的裝置讓他們能預判即將發生的躍遷，然後放大，近距離觀察。實驗的關鍵在於收集關於躍遷的所有可獲得的信息，從而保證在能夠進行測量之前，沒有信息會泄露到環境中。只有那時，他們才能跟蹤到單次躍遷的具體細節。

　　研究人員使用的量子系統要比原子大得多，由超導材料製成的線纜構成，有時被稱作「人造原子」，因為它們具有離散的量子能態，類似於真實原子中的電子態。能態之間的躍遷可以通過吸收或者釋放一個光子誘導出來，就跟原子中的電子躍遷一樣。

麥克·德沃雷特（左）和茲拉特科·米涅夫站在實驗用低溫恆溫器之前。圖片來源：耶魯大學量子研究所（Yale Quantum Institute）

　　德沃雷特和同事們想要觀察一個人造原子在其基態（能量最低的狀態）和激發態之間的躍遷。但是他們無法直接監控，因為對量子系統進行測量會破壞量子行為所依賴的波函數的相干性（即系統平滑的、波狀的變化）。要觀測量子躍遷，研究人員必須保持相干性，否則會導致波函數「坍縮」，從而讓人造原子落入某一狀態。這一問題的最著名的案例就是薛定諤的貓，它處在既生又死的量子相干「疊加態」，但一旦對它進行觀察，貓只會處在某一狀態。

　　為了避免這個問題，德沃雷特團隊採用了一個聰明的技巧，用到了第二激發態。系統通過吸收一個不同能量的光子從基態轉變為第二激發態。研究人員用來探測系統的方式只會告訴他們系統是否處於這第二「亮」態——之所以叫這個名字，是因為這是一個可見的狀態。而研究人員真正要尋找的、可能發生量子躍遷的狀態則是「暗」態，它無法被直接觀察到。

　　研究人員將超導迴路置於一個光學空腔內，這是一個腔室，波長正確的光子能夠在其中四處反彈。如果系統處在亮態，那麼光腔中光的散射方式會變化。每次系統通過釋放光子，從亮態回到暗態，探測器會發出一個信號，類似蓋革計數器的「咔嗒」一聲。

　　奧利弗介紹，實驗的關鍵在於測量需要提供系統狀態的信息，同時不會直接干擾狀態。實際上，測量評估的是系統是否集體處在（或不處在）基態和暗態。這種模糊性對於維持在兩種狀態間躍遷時的量子相干性很是關鍵。因此，耶魯團隊使用的方案與量子計算機中用到的糾錯方式密切相關。在量子計算機中也是這樣，既要得到量子比特信息，同時又不能破壞量子計算所依賴的相干性。同樣地，要實現這種方式不是直接觀察量子比特，而是探測能與其耦合的輔助比特狀態。

　　這一策略表明，量子測量的關鍵不在於由探測器引發的物理性擾動，而在於通過結果你能知道什麼信息、還有哪些信息你不知道。「事件的缺席和它的在場一樣，能夠提供同樣多的信息，」德沃雷特補充道。他將其與福爾摩斯的故事作比較，福爾摩斯會從「奇怪的事件」中推導出關鍵線索，比如一條狗在晚上什麼都沒幹。借用《福爾摩斯探案集》中與狗相關的另一個（但經常被混淆的）故事，德沃雷特稱之為「巴斯克維爾的獵犬遇上薛定諤的貓」。

　　捕獲一次躍遷

　　耶魯團隊看見了探測器發出的一系列「咔嗒」的信號，每個信號就代表有一次亮態的衰變，每隔幾微秒就發生一次。這股聲音流大約每過幾百微秒就會中斷，出現沒有咔咔聲的停頓，這種中斷顯然是隨機的。然後通常又過了大約 100 微秒的時間後，咔咔聲恢復了。在無聲的那段時間內，系統可能已經轉入暗態，因為這是唯一能阻止系統在基態和亮態之間來迴轉換的狀態。

　　所以，這些從「咔嗒聲」到「無咔嗒聲」狀態的轉變過程，正是量子躍遷發生的時候，就好像早期的原子捕獲等實驗一樣。然而，在這次實驗中，德沃雷特和他的同事們可能看到了新的東西。

　　在每次進入暗態之前，往往存在一段非常短的時間，當時咔咔聲似乎暫停了，這個暫停好像預告著量子躍遷即將發生。「一旦無咔嗒聲的時間長度顯著超過了兩次咔嗒聲之間的典型停頓，你會收到一個非常清晰的預警，知道接下來要發生躍遷了，」德沃雷特解釋道。

　　這種預警讓研究人員得以更加深入地研究躍遷。當他們看到這樣的停頓，他們就會關掉驅動轉變的光子輸入。令人意外的是，即使沒有光子的驅動，暗態的轉變仍舊會發生——彷彿只要較長的停頓出現，一切都已註定。所以，儘管躍遷本身是隨機發生的，但其方式卻有一定的確定性。

　　關掉光子輸入之後，研究人員用極高的時間解析度將系統放大，看躍遷過程如何展開。它究竟是瞬時發生的，即玻爾和海森堡所設想的突然的量子躍遷，還是像薛定諤所堅持的那樣，必然平緩地發生？如果是後者，這個過程又是怎樣的？

　　研究團隊發現躍遷其實是循序漸進的。即使直接觀測只能夠揭示處在某一個狀態的系統，但是在量子躍遷過程中，系統處於兩種最終狀態的疊加態，或者說混合態。隨著躍遷繼續發生，直接測量的結果將越來越可能是最終態，而不是初始態。這就有點像我們的決定可能會隨著時間的變化而變化。比如參加聚會的時候，你要麼留下來，要麼離開，這是一個二選一的選擇；但是隨著夜越來越深，你漸漸感到累了，「是走是留」的問題會越來越傾向於得到「我要離開」這個答案。

　　耶魯大學研發的技術揭示出對系統量子躍遷過程不斷變化的思維設定。藉助斷層成像重建（tomographic reconstruction）的方法，研究人員可以計算出疊加態中暗態和基態的相對權重。他們看到這些權重在幾微秒的時間內逐漸變化。雖然這已經相當快了，但它肯定不是瞬時的。

　　另外，這套電子系統快到能讓研究人員「捕捉」到兩種狀態的切換，然後進行逆轉，方法是將一束光子脈衝送入空腔，催動系統重返暗態。他們能夠說服系統「改變想法」，繼續留在聚會中。

　　靈光一閃

　　奧利弗說，實驗表明量子躍遷「實際上並不是瞬時發生的，只要我們觀察得足夠仔細，就會發現它其實是相干過程」，即隨著時間的推移展開的真實物理事件。

　　躍遷的漸進性正符合量子理論的一種形式——量子軌跡理論（quantum trajectories theory）的預測，這一理論能夠描述類似這樣的單個事件。「理論預測完美符合眼前所見，這真是令人安心，」大衛·達文森佐（David DiVincenzo）說道，他是德國亞琛工業大學（Aachen University）量子信息專家，「但是這是一種精妙的理論，我們目前連它的皮毛都沒有掌握。」

　　德沃雷特說，在量子躍遷快要發生之前進行預測是有可能的，就好像火山爆發一樣。每次爆發都不可預測，但是對於一些大型爆發，我們能夠通過觀察爆發之前異常平靜的階段來作出預判。「就我們所知，這種量子躍遷之前的預兆信號以前從未被提出或測量過，」他補充道。

　　德沃雷特繼續說，如果能標記出量子躍遷的預兆信號，那麼就可能找到量子感測技術的新應用。比如說，「在原子鐘測量中，人們想將鍾與作為參考標準的原子頻率同步。」但如果你能在轉變即將發生前準確探測到，而不是只能等到轉變完成之後，同步就能更快，因而長期運作會更加精準。

　　而達文森佐則認為，這項研究可能還能應用於量子計算糾錯方面，儘管他本人覺得還「相當遙遠」。他解釋說，如果想要實現能用來處理這類錯誤的控制水平，那就要求對測量數據進行十分詳盡的收集，就好像粒子物理中收集海量數據的情況一樣。

　　不過，實驗結果的真正價值不在於任何實際應用上的好處，而事關我們對量子世界運作的認識。是的，這是隨機拍攝的；但它又不完全是隨機的，沒有被瞬間發生的躍遷所打斷。薛定諤恰好在同一時間既說對了，又說錯了。

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