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变不可能为可能:通过经典化探测量子跃迁过程

一个处于高能态的原子,可以跃迁到低能态同时放出一个光子,这就是物质发光的机制,而这一现象被称之为量子跃迁。量子跃迁这一过程,是一个纯量子力学现象,有量子力学所特有的“不可理解性”。我们可以把原子低能态加一个光子这一量子状态记为|低1>,把原子高能态加零个光子这个量子状态记为|高0>。那么量子跃迁过程就是下面的这样一个量子态时间演化:|高0> →|高0>+|低1>→|低1>。一开始整个系统处于|高0>态,没有光子。最后整个系统处于|低1>态,有光子,也就是说整个过程原子放出了一个光子。
 
跃迁过程的中间态是一个量子叠加态:|高0>+|低1>。这个量子叠加态就是我们常说的“薛定谔猫态”:|高0>对应于活猫,|低1>对应于死猫。那么|高0>+|低1>这个量子叠加态就对应于一只又死又活不死不活的猫。(参见《量子比特:一只又死又活、不死不活的薛定谔猫丨众妙之门》)这种不可思议的量子叠加态是量子力学所允许的一种状态,也是我们真实世界中所允许的一种存在。正是因为如此,量子力学精确地描写了我们的现实世界。而经典力学不允许这种叠加态的存在,从而不能精确地描写我们的现实世界。
 
因为跃迁中间态|高0>+|低1>是一个又有光子又没有光子的状态,所以本质上我们很难说原子到底什么时候放出了光子。我们只能说一开始没有光子,而最后原子放出了一个光子。
 
今天这篇文章介绍了一个实验,试图观测量子跃迁的过程,观测原子(用一个超导约瑟夫森结模拟)到底什么时候放出光子。上面我们解释了,在量子力学中,这是不可能做到的。所以一些人把这个实验称之为突破量子力学的实验。其实这个实验并没有突破量子力学,实验是将量子跃迁过程经典化。在经典化的量子跃迁过程中,我们是可以知道原子什么时候放出了这个光子。
 
那么这个实验是如何把量子跃迁过程经典化的呢?研究人员用另外一束光连续地观测原子的状态,来判断原子是不是总是处于高能态。在这束光的影响下,整个系统不可能处于|高0>+|低1>这样一个量子叠加态。在某个时间系统由|高0>态,转变成|低1>,放出一个光子,而转变过程可以被外加的观测光所观测到。因此被称之为可以预言原子何时放出一个光子。但这一切都由标准的量子力学理论所描写,没有什么矛盾。当然,这项实验本身还是一个很不简单的实验,观测到了单个量子能级的行为,用测量经典化的跃迁过程,来间接探测量子跃迁的动力过程。
 
——文小刚
 
撰文 | Eleni Petrakou
 
翻译 | 韩佳桐
 
审校 | 石云雷、王昱
 
量子力学(quantum mechanics)——这一理论旨于在极微观的角度上描述宇宙中的物理学,其著名的特征是“反常识”。这一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。试想一下,如果肉眼可见的宏观世界和量子场中的原子以相同的方式运作,一团面糊就能立刻变成一个香喷喷的蛋糕,而无需其中间过程。这样的好事当然不会在日常生活中发生,在难以观测的微观世界里,阐明“量子跃迁”(quantum jump)的性质,一直是困扰物理学家的重要难题。
 
近些年来,由于技术的进步,物理学家能在精密设计的实验设备中,更近一步观察这个过程。 最为基础性的突破或出现在1986年(目前对这一观测仍存在争议),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。这一发现颠覆了传统的量子跃迁观念。
 
预测量子跃迁
 
研究人员在耶鲁大学实施了这项实验,他们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(superconducting qubit,量子计算机的基本单位)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”(side activity)——可被观测设备捕捉但不会影响量子系统的运行。
来源:Pixabay
 
研究中的“附加活动”是一种“咔哒”声,是监测设备所捕捉的、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。这就好比在隔壁房间通过听关键词的方式,推测在播的电视节目。这种方式首次实现了对量子跃迁的间接监测,避免了量子实验中的一个主要问题——直接观察会破坏量子相干性(量子相干性使整个系统处于类似薛定谔的“猫”一样的叠加态,而直接观测会导致退相干效应,即打开箱子的瞬间,猫要么活着要么死去)。这些测量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。
 
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。
 
这项新研究发表于《物理评论研究》。研究人员对量子跃迁全过程进行了逐步的回溯建模。跃迁过程由系统低能态(low-energy state)开始也称为基态(ground state);当跃迁至系统高能态时,也称为激发态(excited state),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,他在之前工作的以色列魏茨曼科学研究所完成了这项研究。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,一定存在一个不可无法捕捉的组分。
 
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,正如耶鲁大学进行的实验,在这种情况下,通过“咔哒”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。在这种特殊情况下,“量子跃迁的进程就很难被预测或中途逆转,”论文的共同作者Parveen Kumar解释道,他是魏茨曼科学研究所的博士后。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。“量子每达到轨迹上的一个节点,跃迁有可能继续,也有可能回到基态”,Snizhko解释道,“甚至跃迁刚开始就紧急中断。跃迁轨迹是确定性的,但是谁也无法预测系统是否会完成跃迁过程。”
 
耶鲁大学的研究中也出现了同样的现象。这些研究人员称这些能预测的量子跃迁是“茫茫未知的大海上的小岛”。论文的通讯作者之一、哥伦比亚大学博士后Ricardo Gutiérrez-Jáuregui说:“这项研究发现当光子信号消失的时刻,整个系统会按照预期的途径达到激发态。这一过程十分迅速,但不是瞬时的。这意味着我们的设备仍旧有机会干扰跃迁轨迹。”
 
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!”
来源:Pixabay
 
“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。
 
与此同时,这项研究的成果或许很快就能得到进一步验证。据魏茨曼研究所的Serge Rosenblum(并未参与上述的研究)说,这些效应能通过目前最先进的超导量子系统观测,而魏茨曼研究所的量子比特实验室正积极推进相关实验。“我很惊讶,像量子比特这样简单的系统竟然能给予我们如此之多的惊喜。”Rosenblum补充道。
 
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。华盛顿大学的助理教授Kater Murch(未参加其中上述的研究)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。”
 
然而这个量子物理学的难题,并不会立刻消散。正如Snizhko所说:“我并不认为量子跃迁会在短期内得到完美解释,毕竟它是量子理论中的一个基本问题。然而,在不懈的研究和尝试中,我们或可以做出一些具有实际意义的发现。”
 
原文链接
 
https://www.scientificamerican.com/article/new-views-of-quantum-jumps-challenge-core-tenets-of-physics/
 
本文经授权转载自微信公众号“环球科学”,文小刚点评部分为《返朴》所加,原题为《颠覆物理学基本认知:量子跃迁可以被预测了》。



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