拯救薛定諤的貓
如何抓住并拯救薛定諤的那只著名的貓？最近，研究人員通過預(yù)測貓的“跳躍”以及對它采取“實(shí)時(shí)行動”，將這只象征著量子疊加和不可預(yù)測性的貓從那場眾所周知的厄運(yùn)中挽救了出來。在這個(gè)過程中，他們推翻了多年以來量子物理學(xué)的一個(gè)基石。
在物理學(xué)中，薛定諤貓是一個(gè)非常著名的悖論，它描述的是量子力學(xué)中疊加的概念（即兩種對立狀態(tài)可以同時(shí)存在的能力）和不可預(yù)測性。
在這個(gè)著名的思想實(shí)驗(yàn)中，一只貓被放在一個(gè)密封的盒子里，盒子里裝有一份放射性物質(zhì)和一份毒藥，如果放射性物質(zhì)中的任何一個(gè)原子發(fā)生衰變，就會觸發(fā)毒藥，貓就會死亡。
根據(jù)量子物理學(xué)的疊加理論，在盒子被打開之前，貓會一直處于一種不確定的疊加態(tài)，它既是死的又同時(shí)是活的。只有在打開盒子的一瞬間，對貓進(jìn)行的觀測才會導(dǎo)致它的量子態(tài)發(fā)生突然地隨機(jī)變化，迫使它要么死、要么活。
在一項(xiàng)刊登在《自然》期刊的新研究中，物理學(xué)家使用過冷電路來模擬一個(gè)具有多能級的原子，這種人工原子包含量子信息。研究人員驚訝地發(fā)現(xiàn)，決定了生與死的量子躍遷，竟然并不是在瞬間完成的。在出現(xiàn)躍遷之前，它甚至還存在一個(gè)提前的警告信號。這一結(jié)果使得研究人員能夠逆轉(zhuǎn)這一過程——將死亡的貓咪救活！這不僅對薛定諤的那只可憐的小貓是個(gè)好消息，對從事量子計(jì)算機(jī)研究的物理學(xué)家來說也是如此。
量子躍遷是指在進(jìn)行觀測時(shí)，量子態(tài)發(fā)生的離散（非連續(xù)）且隨機(jī)的變化。
對于一些微小的物體來說，比如電子、分子或含有量子信息的人工原子（即量子位），量子躍遷是指它們從某一個(gè)離散的能態(tài)過渡到另一個(gè)。近年來，量子躍遷已經(jīng)成為一個(gè)非常關(guān)鍵的量子現(xiàn)象，尤其在量子信息領(lǐng)域，它被用于檢測和糾正在量子信息系統(tǒng)中因退相干而引起的誤差。因此，量子位的躍遷是研究量子計(jì)算機(jī)的科學(xué)家所必須處理的重要問題，因?yàn)檐S遷的出現(xiàn)意味著計(jì)算出現(xiàn)錯(cuò)誤。但是，每次測量一個(gè)量子位時(shí)，都會發(fā)生這種躍遷，而且這是不可預(yù)測的。
1913年，尼爾斯·玻爾提出在原子的兩個(gè)離散能級之間存在量子躍遷。在很長一段時(shí)間內(nèi)，關(guān)于量子躍遷的性質(zhì)和存在都有很大的爭議，直到20世紀(jì)80年代，物理學(xué)家才在原子中觀測到了這種現(xiàn)象。自那之后，我們便在各種原子和固體系統(tǒng)中都觀測到了量子躍遷。
從根本上講，由于量子物理學(xué)的不確定性，我們認(rèn)為量子躍遷發(fā)生的時(shí)間是不可預(yù)測的。但我們有沒有可能得知一個(gè)量子躍遷是否即將發(fā)生呢？對于這個(gè)問題，耶魯大學(xué)的物理學(xué)家們似乎給出了肯定的答案：他們用實(shí)驗(yàn)證明，在一個(gè)具有三個(gè)能級的超導(dǎo)人工原子中，從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷是可以通過實(shí)時(shí)監(jiān)測一個(gè)與基態(tài)耦合的輔助能級而被追蹤的。
這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是由論文的第一作者Zlatko Minev提出的，他之所以會提出這一實(shí)驗(yàn)，是因?yàn)槭艿搅藠W克蘭大學(xué)的Howard Carmichael教授的啟發(fā)。Carmichael是現(xiàn)代量子軌跡理論的先驅(qū)，也是這項(xiàng)研究的一名合著者，根據(jù)他的一個(gè)理論預(yù)測：在躍遷中，系統(tǒng)的狀態(tài)不僅會連續(xù)的在基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間連續(xù)演化，而且在躍遷發(fā)生之前還存在一個(gè)“潛伏期”，也就是一個(gè)輔助能級，它會為即將發(fā)生的躍遷提供一個(gè)警告信號。
這項(xiàng)研究的實(shí)驗(yàn)部分是由物理學(xué)教授Michel Devoret完成的，他的研究團(tuán)隊(duì)使用了一種特殊的方法來間接地監(jiān)測超導(dǎo)人工原子，這些原子被包裹在一個(gè)用鋁制的三維腔體中，并受到來自三個(gè)微波發(fā)生器的輻射照射。運(yùn)用這種方法，研究人員能夠以前所未有的效率對原子進(jìn)行觀測。
另外，在人工原子被觀測的同時(shí)，微波輻射也會對它產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致量子躍遷。躍遷所放出的微弱量子信號可以無損失的情況下被放大，從而使研究人員可以對它們的信號進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，因此就能看到探測光子的突然缺失，這種缺失是由原子的輔助狀態(tài)放出電子所導(dǎo)致的，它就是量子躍遷的預(yù)警。
這是首次對量子躍遷的實(shí)際原理進(jìn)行深入研究，并且得到了令人驚嘆的意外結(jié)果，他們的發(fā)現(xiàn)意味著量子躍遷既不突然，也不隨機(jī)，每一個(gè)躍遷都具有連續(xù)且確定的演化，這與玻爾的既定觀點(diǎn)是相矛盾的。
據(jù)作者介紹，這個(gè)實(shí)驗(yàn)所展現(xiàn)出的一個(gè)美好的效應(yīng)是量子相關(guān)性在躍遷過程中得到了增強(qiáng)。我們不僅可以利用它來捕捉躍遷，還可以逆轉(zhuǎn)躍遷。研究人員認(rèn)為這是非常關(guān)鍵的一點(diǎn)。雖然從長遠(yuǎn)角度來看，量子躍遷看起來的確是離散且隨機(jī)的，但逆轉(zhuǎn)量子躍遷則意味著量子態(tài)的演化在一定程度上是具有確定性的；它總是以相同的、可預(yù)測的方式發(fā)生于一個(gè)隨機(jī)的起點(diǎn)。
Minv說：“在某種程度上，原子的量子躍遷類似于火山爆發(fā)?！遍L期來看，它們是完全不可預(yù)測的。但如果通過正確的監(jiān)測，我們可以確定地發(fā)現(xiàn)即將來臨的災(zāi)難預(yù)警，并在災(zāi)難發(fā)生之前采取行動。
除了對量子物理學(xué)基礎(chǔ)的影響之外，新發(fā)現(xiàn)的一個(gè)重大意義就在于它或許能讓我們更好地理解和控制量子信息。畢竟在研發(fā)出完全可用的量子計(jì)算機(jī)過程中，能可靠地管理量子數(shù)據(jù)并糾正錯(cuò)誤，一直是我們面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。而新的研究為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)帶來了希望。
參考資料
[1] https://www.nature.com/articles/s41586-019-1287-z
[2] https://news.yale.edu/2019/06/03/physicists-can-predict-jumps-schrodingers-cat-and-finally-save-it
文章頭圖及封面圖片來源：Kat Stockton/news.yale.edu
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