薛定谔的猫终于有救了 首次观测到量子跃迁过程

Daphane

来源：科研圈微信公众号

耶鲁大学最新发表在 Nature 上的一项研究表明，我们能够计算出某个时间量子跃迁发生的概率，从而预测“薛定谔的猫”的命运。实验首次捕捉到了跃迁中的量子系统，这意味着量子跃迁并非玻尔和海森堡所认为的完全随机、瞬时发生的过程，而是更符合薛定谔的波函数理论。

图片来源：Pixabay　　来源 Quanta Magazine
　　作者 Philip Ball
　　翻译 阿金
　　编辑 戚译引


　　一个世纪以前，当量子力学被首次提出，作为理解原子尺度世界的理论的时候，其中有一个核心概念极为激进、大胆又反直觉，甚至成为了流行语，那就是“量子跃迁”。大家普遍习惯用这个术语来解释重大变化，但纯粹主义者可能会表示反对，因为这样会忽略一点，就是两种量子态之间的跃迁通常极其微小，从而无法更早地被注意到。但是真正的重点是，这个现象发生得很突然。事实上，许多量子力学的先驱认为量子跃迁是瞬时的。
　　一项新的实验表明，事实并非如此。通过一种高速摄影技术，该研究揭示了量子跃迁循序渐进的过程，就跟雪人在太阳底下融化一样。该研究由耶鲁大学（Yale University）的麦克·德沃雷特（Michel Devoret）实验室的研究生兹拉特科·米涅夫（Zlatko Minev）领导，于 6 月 3 日发表在《自然》（Nature）期刊上。
　　德沃雷特说：“如果我们能够足够快速、有效地测量一次量子跃迁，实际上（我们会看到）它是一个连续的过程。”同行们早就激动不已。麻省理工学院（MIT）的物理学家威廉·奥利弗（William Oliver）评论：“这真是一项绝妙的实验，真的太棒了！”奥利弗本人没有参与该研究。
　　实验的意义还远不止于此。研究人员利用高速检测系统，成功标记出量子跃迁即将出现的时候，在半路“抓住”它，然后再逆转，将系统恢复到初始状态。如此一来，在当年的量子论先驱们眼中物理世界中不可避免的随机过程，现在被证明是可以控制的。我们能够掌控量子。
　　过于随机？
　　上世纪 20 年代中期，物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）、维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）和同事们建立了量子理论，而量子跃迁的瞬时性正是其中的核心支柱，如今这套理论统称为哥本哈根诠释（Copenhagen interpretation）。玻尔在早些时候就提出，原子中电子的能级（即能量状态）是量子化的，也就是说，电子只能使用某些能级，而所有中间能级都被禁止。他假设，电子通过吸收或者释放光量子颗粒——即光子，改变自己的能量，因为光子具有能量，与允许存在的电子态之间的能隙相匹配。这就解释了为什么原子和分子能够吸收或释放特定波长的光，比如许多含铜盐是蓝色的，而钠灯则发出黄色的光。
　　上世纪 20 年代，玻尔和海森堡着手发展一套能够解释量子现象的数学理论。海森堡的量子力学列举了所有允许的量子态，而且隐晦地暗示这些量子态之间的跃迁是瞬时的，用数学家的话来说就是不连续的。“瞬时量子跃迁的概念……成为了哥本哈根诠释的一个基本理念，”科学史学家玛拉·贝勒（Mara Beller）如此写道。
　　另一位量子力学的奠基人，奥地利物理学家埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）则讨厌这个观点。他所设计的理论，最初看来似乎要替代海森堡对离散的量子态以及瞬时的量子跃迁提出的数学理论解释。在薛定谔的理论中，他用名为波函数的波状实体来表示量子粒子，它们的变化是平缓的，随着时间发生连续变化，好比广阔海面上平缓的波浪一般。薛定谔认为，真实世界中的事物不会不花一点儿时间就突然大变样，不连续的“量子跃迁”只是脑海中的一个幻想。在1952年发表的一篇题为“是否存在量子跃迁”（Are there quantum jumps？）的文章中，薛定谔坚定地回答：“不存在。”他还用“量子混球”来称呼同行，明显表达了自己的不满。
　　争论的焦点不仅仅在于薛定谔不喜欢突然变化。量子跃迁的问题在于，理论声称它会随机发生，还说不出为什么就是那个特定时机。这就好像一个没有原因的结果，一个显而易见的随机性，无疑是往自然因果律的“心脏”上插上一刀。薛定谔和他的密友阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）都无法接受让偶然性和不可预测性主导现实最基本的层面。根据德国物理学家马克斯·玻恩（Max Born）的说法，整个争论“不仅仅是物理学内部的问题，还关系到整个哲学和人类知识的层面”。换言之，量子跃迁还有很多问题要解决（或者其实没有问题）。
　　不用看，也能看见
　　为了深入探究，我们需要观察到单次的量子跃迁。1986 年，三个研究团队报告发现了量子跃迁，发生在受电磁场作用下悬浮的单个原子中。原子在“亮”态和“暗”态之间来回转换，处在“亮”态时原子会发射一个光子，而“暗”态时则不会随机发射光子；原子在其中某一个状态下保持几十分之一秒到几秒的时间，然后再次发生跃迁。自此之后，人们在不同的系统中观测到这样的跃迁，有光子在不同量子态之间的转换，也有固体材料原子在量子化的磁化状态之间的跃迁。2007 年，法国的一组科研团队报告发现了一种跃迁，符合他们所描述的“单个光子从出生、活跃到死亡”的过程。
　　在这些实验中，跃迁看上去确实是突然又随机的，因为即使对量子系统进行监测，谁也说不准什么时候会发生跃迁，也没有具体图像显示跃迁的样子。然而，耶鲁大学团队的装置让他们能预判即将发生的跃迁，然后放大，近距离观察。实验的关键在于收集关于跃迁的所有可获得的信息，从而保证在能够进行测量之前，没有信息会泄露到环境中。只有那时，他们才能跟踪到单次跃迁的具体细节。
　　研究人员使用的量子系统要比原子大得多，由超导材料制成的线缆构成，有时被称作“人造原子”，因为它们具有离散的量子能态，类似于真实原子中的电子态。能态之间的跃迁可以通过吸收或者释放一个光子诱导出来，就跟原子中的电子跃迁一样。


麦克·德沃雷特（左）和兹拉特科·米涅夫站在实验用低温恒温器之前。图片来源：耶鲁大学量子研究所（Yale Quantum Institute）

　　德沃雷特和同事们想要观察一个人造原子在其基态（能量最低的状态）和激发态之间的跃迁。但是他们无法直接监控，因为对量子系统进行测量会破坏量子行为所依赖的波函数的相干性（即系统平滑的、波状的变化）。要观测量子跃迁，研究人员必须保持相干性，否则会导致波函数“坍缩”，从而让人造原子落入某一状态。这一问题的最著名的案例就是薛定谔的猫，它处在既生又死的量子相干“叠加态”，但一旦对它进行观察，猫只会处在某一状态。
　　为了避免这个问题，德沃雷特团队采用了一个聪明的技巧，用到了第二激发态。系统通过吸收一个不同能量的光子从基态转变为第二激发态。研究人员用来探测系统的方式只会告诉他们系统是否处于这第二“亮”态——之所以叫这个名字，是因为这是一个可见的状态。而研究人员真正要寻找的、可能发生量子跃迁的状态则是“暗”态，它无法被直接观察到。
　　研究人员将超导回路置于一个光学空腔内，这是一个腔室，波长正确的光子能够在其中四处反弹。如果系统处在亮态，那么光腔中光的散射方式会变化。每次系统通过释放光子，从亮态回到暗态，探测器会发出一个信号，类似盖革计数器的“咔嗒”一声。
　　奥利弗介绍，实验的关键在于测量需要提供系统状态的信息，同时不会直接干扰状态。实际上，测量评估的是系统是否集体处在（或不处在）基态和暗态。这种模糊性对于维持在两种状态间跃迁时的量子相干性很是关键。因此，耶鲁团队使用的方案与量子计算机中用到的纠错方式密切相关。在量子计算机中也是这样，既要得到量子比特信息，同时又不能破坏量子计算所依赖的相干性。同样地，要实现这种方式不是直接观察量子比特，而是探测能与其耦合的辅助比特状态。
　　这一策略表明，量子测量的关键不在于由探测器引发的物理性扰动，而在于通过结果你能知道什么信息、还有哪些信息你不知道。“事件的缺席和它的在场一样，能够提供同样多的信息，”德沃雷特补充道。他将其与福尔摩斯的故事作比较，福尔摩斯会从“奇怪的事件”中推导出关键线索，比如一条狗在晚上什么都没干。借用《福尔摩斯探案集》中与狗相关的另一个（但经常被混淆的）故事，德沃雷特称之为“巴斯克维尔的猎犬遇上薛定谔的猫”。
　　捕获一次跃迁
　　耶鲁团队看见了探测器发出的一系列“咔嗒”的信号，每个信号就代表有一次亮态的衰变，每隔几微秒就发生一次。这股声音流大约每过几百微秒就会中断，出现没有咔咔声的停顿，这种中断显然是随机的。然后通常又过了大约 100 微秒的时间后，咔咔声恢复了。在无声的那段时间内，系统可能已经转入暗态，因为这是唯一能阻止系统在基态和亮态之间来回转换的状态。
　　所以，这些从“咔嗒声”到“无咔嗒声”状态的转变过程，正是量子跃迁发生的时候，就好像早期的原子捕获等实验一样。然而，在这次实验中，德沃雷特和他的同事们可能看到了新的东西。
　　在每次进入暗态之前，往往存在一段非常短的时间，当时咔咔声似乎暂停了，这个暂停好像预告着量子跃迁即将发生。“一旦无咔嗒声的时间长度显著超过了两次咔嗒声之间的典型停顿，你会收到一个非常清晰的预警，知道接下来要发生跃迁了，”德沃雷特解释道。
　　这种预警让研究人员得以更加深入地研究跃迁。当他们看到这样的停顿，他们就会关掉驱动转变的光子输入。令人意外的是，即使没有光子的驱动，暗态的转变仍旧会发生——仿佛只要较长的停顿出现，一切都已注定。所以，尽管跃迁本身是随机发生的，但其方式却有一定的确定性。
　　关掉光子输入之后，研究人员用极高的时间分辨率将系统放大，看跃迁过程如何展开。它究竟是瞬时发生的，即玻尔和海森堡所设想的突然的量子跃迁，还是像薛定谔所坚持的那样，必然平缓地发生？如果是后者，这个过程又是怎样的？
　　研究团队发现跃迁其实是循序渐进的。即使直接观测只能够揭示处在某一个状态的系统，但是在量子跃迁过程中，系统处于两种最终状态的叠加态，或者说混合态。随着跃迁继续发生，直接测量的结果将越来越可能是最终态，而不是初始态。这就有点像我们的决定可能会随着时间的变化而变化。比如参加聚会的时候，你要么留下来，要么离开，这是一个二选一的选择；但是随着夜越来越深，你渐渐感到累了，“是走是留”的问题会越来越倾向于得到“我要离开”这个答案。
　　耶鲁大学研发的技术揭示出对系统量子跃迁过程不断变化的思维设定。借助断层成像重建（tomographic reconstruction）的方法，研究人员可以计算出叠加态中暗态和基态的相对权重。他们看到这些权重在几微秒的时间内逐渐变化。虽然这已经相当快了，但它肯定不是瞬时的。
　　另外，这套电子系统快到能让研究人员“捕捉”到两种状态的切换，然后进行逆转，方法是将一束光子脉冲送入空腔，催动系统重返暗态。他们能够说服系统“改变想法”，继续留在聚会中。
　　灵光一闪
　　奥利弗说，实验表明量子跃迁“实际上并不是瞬时发生的，只要我们观察得足够仔细，就会发现它其实是相干过程”，即随着时间的推移展开的真实物理事件。
　　跃迁的渐进性正符合量子理论的一种形式——量子轨迹理论（quantum trajectories theory）的预测，这一理论能够描述类似这样的单个事件。“理论预测完美符合眼前所见，这真是令人安心，”大卫·达文森佐（David DiVincenzo）说道，他是德国亚琛工业大学（Aachen University）量子信息专家，“但是这是一种精妙的理论，我们目前连它的皮毛都没有掌握。”
　　德沃雷特说，在量子跃迁快要发生之前进行预测是有可能的，就好像火山爆发一样。每次爆发都不可预测，但是对于一些大型爆发，我们能够通过观察爆发之前异常平静的阶段来作出预判。“就我们所知，这种量子跃迁之前的预兆信号以前从未被提出或测量过，”他补充道。
　　德沃雷特继续说，如果能标记出量子跃迁的预兆信号，那么就可能找到量子传感技术的新应用。比如说，“在原子钟测量中，人们想将钟与作为参考标准的原子频率同步。”但如果你能在转变即将发生前准确探测到，而不是只能等到转变完成之后，同步就能更快，因而长期运作会更加精准。
　　而达文森佐则认为，这项研究可能还能应用于量子计算纠错方面，尽管他本人觉得还“相当遥远”。他解释说，如果想要实现能用来处理这类错误的控制水平，那就要求对测量数据进行十分详尽的收集，就好像粒子物理中收集海量数据的情况一样。
　　不过，实验结果的真正价值不在于任何实际应用上的好处，而事关我们对量子世界运作的认识。是的，这是随机拍摄的；但它又不完全是随机的，没有被瞬间发生的跃迁所打断。薛定谔恰好在同一时间既说对了，又说错了。