量子理論揭開測量難題的神秘面紗

最近的一項測試證實了量子軌跡理論做出的預測，該理論描述了量子系統在長久以來不為人知的「崩潰」期間發生的一切。

想像一下，如果我們的所有科學理論與模型只能提供平均值，結果會如何？例如，最準確的天氣預報也只能預測下個月每一天的平均降雨量，或者說，天文學家只能預測每次日食之間的平均間隔時間。

在量子力學的研究早期，這似乎是一種無法避免的局限性：其提出的是概率論，只能告訴我們如果我們收集到大量事件或者粒子記錄，將能夠觀察出怎樣的平均現象。對於薛定諤（他發現的同名方程規定了量子對象的行為方式）而言，考慮特定的原子或電子的實時狀態完全沒有意義。他曾在1952年時寫道，「這是一種公平的觀察方式，我們並沒有關注單一粒子。我們正在認真研究事件發生後的記錄。」換句話說，量子力學似乎只適用於大量粒子的「集合」。耶魯大學的物理學家Michel Devoret也表示，「當整體規模足夠大時，才有可能獲得充足的統計數據以檢測預測結果是否正確。」

不過還有另一種方法可用於制定量子力學規則，從而討論單一量子系統中發生的單一事件。這種方法被稱為「量子軌跡理論（QTT）」，其與量子力學的標準形式完全兼容，或者說只是對量子行為的更為細緻的觀察視角。在對大量事件的平均值進行計算之後，這種方法終於讓我們再次回歸到標準的描述方向上來。

畢業於耶魯大學Devoret實驗室的Zlatko Minev博士指出，作為對薛定諤悲觀主義觀點的直接挑戰，「QTT能夠準確處理單一粒子及其正在發生的事件。」通過將QTT應用於量子電路上的實驗，Minev和他的同事最近終於能夠捕捉到「量子躍遷」現象（即兩種量子能態之間的轉換）隨時間推移的展開過程。在這項卓越的成就當中，他們準確把握住了量子躍遷的瞬間並加以逆轉。

Devoret表示，「量子軌跡理論能夠做出無法通過標準公式得到的預測結果。」具體來講，其能夠預測單一量子對象（例如粒子）在受到觀察時的行為方式，或者說在受到測量時的行為方式。

薛定諤的議程無法得出這一結果。我們只有不測量對象物體，才能完美地預測出其如何隨時間而演變。但是一旦加以測量，我們就只能通過薛定諤方程得出對大量測量得出的預測結果的平均值，而非任何單一系統的預測值。舉例來說，該方程無法告訴我們單一量子是否發生了躍遷。

薛定諤方程之所以又被稱為「測不準」方程，是因為存在一種名為量子反作用的特殊現象。對量子的測量會影響被觀察的系統：觀察行為會將一種隨機雜訊注入系統之內。這也是著名的海森堡不確定性原則的來源。正如海森堡當初所提到，測量當中的不確定性並不在於笨拙測量手段對於微妙量子系統的影響——即所謂光子撞擊粒子並將其推向偏離軌道的說法。相反，觀察本身就存在著內生的隨機化效應，這是一種不可避免的結果。薛定諤方程在預測量子系統將如何演化方面相當準確——但前提是不要測量，因為測量會導致結果變得不可預測。

Devoret表示，大家可以把量子反作用理解成系統與測量儀器之間無法完美匹配的結果，因為在觀察之前我們完全不知道系統的狀態。這就像是行星處於望遠鏡對焦區域之外，圖像必然會呈現出模糊的效果。

然而，QTT有望帶來不一樣的結果。但問題在於，如果使用QTT，我們需要對當前正在觀察的系統行為擁有相當全面的理解。通常情況下，對量子系統的觀察往往會忽略大量潛在可用信息：例如，一部分射出的光子會在環境當中丟失。但是，一旦我們測量並了解到系統中的所有內容——包括由反作用引發的隨機後果，則可以在測量設備中建立反饋，從而通過連續調整以抵消反作用影響。換言之，QTT的作用相當於調整望遠鏡的方向以確保作為觀察對象的衛星始終保持在中心位置。

為了實現這一目標，測量裝置必須以高於系統實際變化的速率更快收集數據，且整個過程的效率必須近乎完美。Devoret表示，「基本上，所有離開系統並被環境吸收的信息都得由測量儀器記錄下來。」還是用天文學進行類比，這就像是行星必須僅由發射自天文台的光照亮，並通過某種方式將反射回來的光全部收集起來。

光是聽起來，就知道這種程度的信息控制與捕獲過程具有極大的挑戰性。麻省理工學院的William Oliver指出，正因為如此，雖然QTT已經存在了幾十年，「但直到過去五年之內，我們才得以在實驗中進行測試。」Minev開發出的創新技術能夠確保高達91%的量子測量效率。他表示，「這項關鍵性技術進展使我們得以將原本的預測，轉變為可驗證且可實施的實驗過程。」

Devoret解釋稱，憑藉這些創新，「我們有望根據近期活動記錄隨時了解系統的位置。當然，長期層面中的某些活動特徵仍然無法預測。」更重要的是，這種關於系統如何隨時間推移而平滑變化的完整知識將使得研究人員能夠進行記錄「倒帶」，並避免標準量子形式主義中提出的明顯不可逆的「波函數崩潰」。通過這種方式，研究人員將能夠在發生的一瞬間實現對量子躍遷的逆轉。

QTT與實驗結果之間良好的一致性也證明，該理論確實適用於單一量子系統。具體來講， 這意味著該理論所提出的高度抽象的「量子軌跡」（由耶魯大學論文聯合作者，物理學家Howard Carmichael在上世紀九十年代創造的術語）確實具有實際意義。用Minev的話來解釋，量子軌跡「可歸於某種程度的現實」。這一結論無疑顛覆了原本的量子物理學認知，當時人們認為所謂量子軌跡只是一種沒有明確物理意義的數學工具。

但是，這一軌跡究竟是什麼？有一點是非常明確的：它並不像行星運行軌跡那樣擁有明確的路線。相反，它更像是系統可能具有的全部潛在狀態在抽象空間中所依據的路線，我們將這種抽象空間稱為希爾伯特空間。在傳統量子理論當中，該路徑由薛定諤議程的波函數進行描述。但最重要的是，QTT還能夠解決測量如何影響該路徑的問題，而薛定諤方程無法做到這一點。總結而言，QTT理論利用對系統迄今為止所有細緻、完整活動方式進行觀察，從而預測其未來將表現出怎樣的狀態。

為了易於理解，大家也可以將其理解成嘗試預測單一空氣分子的運動軌跡。薛定諤議程的作用有點像經典擴散議程，其能夠預測這種粒子在經歷碰撞時隨時間推移平均會產生多大的位移，但QWTT則能夠根據粒子之前經歷過的具體碰撞信息預測特定粒子的去向。隨機性仍在其中發揮作用：在任何情況下，我們都無法完美地預測出實際軌跡。但QTT能夠幫助我們了解單一粒子的過往情況，並讓我們在一定程度上預測出該粒子接下來將去向何方。

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