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颠覆物理学基本认知:量子跃迁可以被预测了

来源:科技日报 日期:2021-01-18

  量子力学理论的标准解释认为,量子场内的变化不可预测且是瞬时的。在难以观测的微观世界里,阐明量子跃迁的性质,一直是困扰物理学家的重要难题。

  1986年,研究人员通过实验首次证实量子跃迁是一种能被观测和研究的实验现象。从那时起,科学家借助不断发展的技术,对这种神秘现象进行了更深入的观察。2019年的一项研究显示,量子跃迁的过程可以被预测,且开始后可以被阻断。近期,一项新的理论研究更深入挖掘了量子跃迁过程,以及它何时会发生。研究显示,这个看上去简单和基础的现象,实际上十分复杂。

    预测量子跃迁 

  美国耶鲁大学研究人员通过一种干扰度最小的装置来监测量子跃迁进程。每一次跃迁都发生在一个超导量子比特的两个能态之间,这个小循环可用于模拟原子中离散量子能态的超导微环路。研究人员测量了低能态系统中量子比特的“附加活动”——可被观测设备捕捉但不会影响量子系统的运行。

  研究中的“附加活动”是一种监测设备所捕捉的、由系统散发的光子信号,这表明光子未被系统吸收、跃迁尚未发生。这种方式首次实现了对量子跃迁的间接监测,揭示了一个重要的性质:在“附加活动”中,量子向高能态跃迁之前会有一个停顿。而科学家可以通过这种停顿预测甚至阻止量子跃迁。

  跃迁过程由系统低能态开始也称为基态;当跃迁至系统高能态时,也称为激发态,随后跃迁路径转向,再次回到基态。文章作者Kyrylo Snizhko是德国卡尔斯鲁厄理工学院的一名博士后学者,他表示,模拟实验显示,在这个可间接预测或干扰量子跃迁中,一定存在一个不可捕捉的组分。

  具体来说,量子跃迁从激发态向基态的回落过程,并不总是平滑和可预测的,这就是作者所描述的“不可捕捉”的组分。研究指出,观测设备与受测系统的“连接度”,对系统跃迁有直接影响。在这一过程中,量子跃迁由观测的时间尺度而非跃迁过程定义。观测设备和量子系统的连接可能很弱,在这种情况下,通过信号的暂停能预测量子跃迁。

  量子系统的转变通过基态和激发态的混合实现,这称为量子系统的叠加态。然而,在观测设备和系统的联系超过一定阈值时,这种系统叠加态就会趋向某一个能值,并保持相对稳定,直至再次突然回到基态。论文的共同作者Parveen Kumar解释道,这意味着,即使我们一开始成功预测了量子跃迁发生,但无法避免会再次“跟丢”系统。

  而即使在跃迁可预测的期间,也会存在一些差异。Snizhko表示,这些过程中还包含着一种不可预测的组分。可捕捉的量子跃迁通常具有一个处在基态和激发态的叠加态上的跃迁“轨迹”,但整体的跃迁轨迹并没有明确的方向或终点。

    量子物理正在坍缩 

  Zlatko Minev是微软托马斯沃森研究中心的研究员,也是这项耶鲁大学研究的第一作者。他表示这项新的理论研究“在以量子比特作为参数的实验条件下,描绘阐述了一个简单清晰的量子跃迁模式”。他认为,这项研究与先前的耶鲁实验互相参照,显示“相比于我们之前的认识,量子跃迁轨迹的离散性、随机性和可预测性还有待更广阔而充分的研究。”

  具体而言,耶鲁大学进行的研究首次揭示了量子跃迁的微妙行为——系统从基态到激发态的跃迁能被预测,表明量子世界中部分是可以预测的。这在此前曾被认为是不可能的。当Minev首次与组内的其他研究者讨论预测量子跃迁的可行性时,受到了一位同事激烈的回击:“跃迁轨迹如果能预测,量子物理界就要坍缩了!”

  “我们的实验最终成功了,并且推断出量子跃迁整体路径是随机和离散的。然而,在更精密的时间尺度上,每一步跃迁都是连续而逐步开展的。这二者尽管看似矛盾,却是量子跃迁中同时存在。” Minev解释道。

  而这一跃迁过程能应用到整个物质世界吗,如预测实验室外的原子?Kumar还不确定,而很大部分原因在于研究条件上的过多限制。Kumar说:“推广这项研究当然很令人兴奋。”如果未来不同的观测设备都得到了类似结果,那么这种量子行为将能解释量子世界的更多基本性质:在量子世界中,事件在某种意义上同时具有随机性和可预测性、离散性和连续性。

  量子跃迁是自然界中最基本、最原始的物理问题,但一直很难被真正观测到。直到最新的科技进展扭转了这一局势。美国华盛顿大学的助理教授Kater Murch表示:“耶鲁大学的实验启发了这项理论研究,为解决这个数十年的物理难题打开了全新的局面。在我心目中,实验与理论的相辅相成,最终转变我们这些理论物理学家对世界的认知,为日后的新发现奠定了基础。”

  (韩佳桐翻译,据《环球科学》)

责任编辑:李雪