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實驗捕捉到了一個躍遷中的量子—量子力學的創始人認為這不可能


老胡說科學一個巨大的飛躍是一個快速漸進的過程量子力學在一個世紀前首次發展成為理解原子尺度世界的理論時,它的一個關鍵概念是如此激進,大膽和反直...

- 2019年6月08日06時00分
- 科學文摘 / 老胡說科學

老胡說科學

一個巨大的飛躍是一個快速漸進的過程

量子力學在一個世紀前首次發展成為理解原子尺度世界的理論時,它的一個關鍵概念是如此激進,大膽和反直覺,以至於它變成了流行語言:「量子飛躍」。純粹主義者可能會反對,將這個術語應用於重大變化的常見習慣,忽略了兩個量子態之間的跳躍通常是微小的這一點,這正是為什麼它們沒有更早被注意到的原因。但真正的問題是它們是突然發生的。事實上,量子力學的許多先驅都認為它們是瞬間產生的。

一項新的實驗表明,事實並非如此。通過製作一種量子躍遷的高速電影,該作品揭示了這個過程就像一個雪人在陽光下融化一樣漸進。耶魯大學的Michel


Devoret說:「如果我們能夠快速有效地測量量子躍進,這實際上是一個持續的過程。」這項研究由德沃雷特實驗室的研究生茲拉特科米內夫牽頭,於周一發表在《自然》雜誌上。同事們已經很興奮了。「這真是一個奇妙的實驗,」麻省理工學院的物理學家威廉·奧利弗說

但還有更多。通過他們的高速監控系統,研究人員可以發現量子躍遷即將出現的時間,「捕捉」到一半,並將其逆轉,讓系統回到開始時的狀態。這樣,在量子先驅看來,物理世界中不可避免的隨機性,現在被證明是可以控制的。我們可以控制量子。

太隨機了

20世紀20年代中期,尼爾斯·玻爾、維爾納·海森堡和他們的同事們在一幅現在通常被稱為哥本哈根解釋的圖中,闡述了量子理論的核心支柱是量子跳躍的瞬時性。玻爾早些時候曾指出,原子中的電子的能量狀態是「量化的」:只有特定的能量可以被它們利用,而它們之間的所有能量都是被禁止的。他提出電子通過吸收或發射光子量子粒子來改變能量,光子的能量與允許電子狀態之間的間隙相匹配。這就解釋了為什麼原子和分子會吸收並發射出非常特殊的波長的光——比如,為什麼許多銅鹽是藍色的,而鈉燈是黃色的。

量子跳躍並不是物理學的內在問題,而是與哲學和人類知識的關係之一。

波爾和海森堡在20世紀20年代開始研究這些量子現象的數學理論。海森堡的量子力學列舉了所有允許的量子態,並隱含地假設它們之間的跳躍是瞬間的—不連續的,正如數學家所說的那樣。「瞬間量子跳躍的概念成為哥本哈根解釋的基本概念,」科學歷史學家馬拉貝勒寫道。


量子力學的另一位大師、奧地利物理學家薛丁格不喜歡這個想法。他設計了一種乍一看似乎可以替代海森堡的離散量子態和量子態之間瞬間跳躍的數學方法。薛丁格的理論以波函數的形式來描述量子粒子,這種波函數只會隨著時間的推移而平穩而連續地變化,就像公海上平緩的波動一樣。薛丁格認為,現實世界中的事物不會在零時間內突然發生變化——不連續的「量子跳躍」只是心靈的虛構。1952年的一篇論文《量子跳躍存在嗎?》薛丁格斬釘截鐵地回答說:「不是。」他的憤怒顯而易見,他稱這些人為「量子混蛋」。

爭論不僅僅是關於薛丁格對瞬時變化的不適。量子躍遷的問題還在於,據說它只是發生在一個隨機的時刻,而沒有說明為什麼會發生在那個特定的時刻。因此,這是一種沒有原因的結果,一種插入自然之心的明顯隨機性的實例。薛丁格和他的親密朋友阿爾伯特·愛因斯坦不能接受在最基本的現實層面上主宰一切的機會和不可預測性。根據德國物理學家馬克斯·波恩的說法,整個爭議「與其說是物理學的內部問題,不如說是它與哲學和一般人類知識的關係之一」。換句話說,有很多事情取決於量子跳躍的現實(或非現實)。

看不見

為了進一步探討,我們需要一次看到一個量子跳躍。1986年,三個研究小組報告說,

它們發生在被電磁場懸浮在空間中的單個原子中。原子在一個「明亮」狀態和一個「黑暗」狀態之間翻轉,在這個狀態下,它們可以發出光子,在一個狀態或者另一個狀態,在十分之幾秒之間。然後再跳幾秒鐘。從那以後,在各種系統中已經看到了這種跳躍,範圍從量子態之間的光子切換到在量子化磁態之間跳躍的固體材料中的原子。2007年,法國的一個團隊報告的跳躍對應於他們所謂的「個體光子的誕生,生死」。

在這些實驗中,跳躍確實看起來是突然和隨機的,因為量子系統受到監控,何時會發生,也沒有任何關於跳躍看起來像的詳細圖片。相比之下,耶魯團隊的設置讓他們能夠預測跳躍何時到來,然後放大接近檢查它。實驗的關鍵是能夠收集關於它的所有可用信息,以便在測量之前不會泄漏到環境中。只有這樣,他們才能按照這樣的細節進行單跳。

研究人員使用的量子系統遠大於原子,由超導材料製成的導線組成 - 有時稱為「人造原子」,因為它們具有類似於真實原子中電子態的離散量子能態。能量狀態之間的跳躍可以通過吸收或發射光子來誘導,就像原子中的電子一樣。

Devoret和他的同事想要觀察單個人工原子在最低能量(基態)和能量激發態之間的跳躍。但他們不能直接監測這種轉變,因為在量子系統上進行測量會破壞波函數的相干性——它的光滑波狀行為——而量子行為正是依賴於這種相干性。為了觀察量子躍遷,研究人員必須保持這種一致性。否則,它們會「摺疊」波函數,使人造原子處於一種或另一種狀態。薛丁格的貓就是一個著名的例子。據說,薛丁格的貓處於活態和死態的相干量子「疊加」中,但當被觀察到時,它只會變成其中之一。

為了解決這個問題,Devoret及其同事採用了一個涉及第二個興奮狀態的巧妙技巧。系統可以通過吸收不同能量的光子從基態到達該第二狀態。研究人員以一種只告訴他們系統是否處於第二個「明亮」狀態的方式探測系統,因為它是可以看到的狀態而得名。研究人員實際上尋找量子躍遷的狀態同時也是「黑暗」狀態 - 因為它仍然是直接觀察的隱藏。

研究人員將超導電路放置在一個光學腔(一個可以反射正確波長的光子的腔室)中,這樣,如果系統處於明亮狀態,光在腔內散射的方式就會發生變化。每當亮狀態通過發射光子衰變時,探測器發出的信號類似於蓋革計數器的「咔噠聲」。

Oliver說,關鍵在於測量提供了有關係統狀態的信息,而無需直接詢問該狀態。實際上,它詢問系統是否共同處於地面和黑暗狀態。這種模糊性對於在這兩種狀態之間的跳躍期間保持量子相干性是至關重要的。在這方面,奧利弗說,耶魯大學所使用的方案與量子計算機中用於糾錯的方案密切相關。在那裡,有必要獲得有關量子比特的信息而不破壞量子計算所依賴的一致性。同樣,這是通過不直接查看所討論的量子位但探測耦合到它的輔助狀態來完成的。

該策略揭示量子測量不是關於探測器引起的物理擾動,而是關於你所知道的(以及你未知的東西)。「沒有事件可以帶來與其存在一樣多的信息,」Devoret說。他把它與夏洛克·福爾摩斯的故事進行了比較,在這個故事中,偵探從「好奇事件」中推斷出一條重要線索,其中一隻狗在夜間沒有做任何事情。借用與狗相關的不同(但經常混淆)的霍姆斯故事,Devoret稱之為「Baskerville的獵犬遇見Schrdinger的貓」。

抓住一個跳躍

耶魯大學的研究小組看到了探測器發出的一系列咔嗒聲,每個咔噠聲都表示亮狀態的衰減,通常每隔幾微秒到達一次。這個點擊流大約每隔幾百微秒被中斷,顯然是隨機的中斷,沒有點擊。然後在通常100微秒左右的時間段後,點擊恢復。在那個沉默的時間裡,系統可能已經經歷了向黑暗狀態的過渡,因為這是唯一可以防止在地面和明亮狀態之間來回翻轉的東西。

因此,在這些從「點擊」到「無點擊」狀態的開關中,各個量子跳躍就像在早期關於被困原子等的實驗中看到的那樣。然而,在這種情況下,Devoret及其同事可以看到新的東西。

在每次跳到黑暗狀態之前,通常會有一個短暫的咒語,點擊似乎暫停:暫停作為即將跳躍的預兆。Devoret說:「一旦非點擊時段的長度明顯超過兩次點擊之間的典型時間,就會有一個很好的警告,即跳躍即將發生。」

這一警告使研究人員能夠更詳細地研究跳躍。當他們看到這個短暫的暫停時,他們關閉了驅動過渡的光子輸入。令人驚訝的是,即使沒有光子驅動它,仍然會發生向黑暗狀態的轉變 - 就好像在短暫的暫停停止時,命運已經固定。因此,儘管跳躍本身是隨機出現的,但它的方法也存在確定性。


隨著光子關閉,研究人員以細粒度的時間解析度放大了跳躍,看它展開。它是否會瞬間發生 - 波爾和海森堡的突然量子跳躍?或者它是否順利發生,正如薛丁格堅持認為必須的那樣?如果是這樣,怎麼樣?

該團隊發現跳躍實際上是漸進式的。這是因為,即使直接觀察可以將系統僅顯示為處於一種狀態或另一種狀態,但在量子跳躍期間,系統處於這兩種最終狀態的疊加或混合。隨著跳躍的進行,直接測量將越來越可能產生最終狀態而不是初始狀態。這有點像我們的決定隨著時間的推移而演變的方式。你只能留在派對上或離開它 - 這是一個二元選擇 -

但隨著晚上的消磨而你感到疲倦,「你是留下還是離開?」的問題越來越有可能得到答案「我要離開「。

耶魯團隊開發的技術揭示了量子跳躍期間系統的思維方式的變化。使用稱為層析成像重建的方法,研究人員可以計算出疊加中暗態和基態的相對權重。他們看到這些重量在幾微秒的時間內逐漸變化。這很快,但肯定不是即時的。

更重要的是,這個電子系統是如此之快,以至於研究人員可以「捕捉」兩種狀態之間的切換,然後通過向腔體發送光子脈衝以將系統恢復到黑暗狀態來反轉它。他們可以說服系統改變主意,畢竟留在聚會上。

洞察力的閃光

實驗表明,量子跳躍「如果我們足夠仔細觀察,確實不是瞬間發生的,」奧利弗說,「而是連貫的過程」,隨著時間的推移而展開的真實物理事件。

「跳躍」的漸進性正是量子理論的一種形式——量子軌跡理論所預測的,量子軌跡理論可以這樣描述單個事件。德國亞琛大學量子信息專家戴維?迪夫隆佐說,「令人放心的是,這個理論與我們所看到的完全吻合,但它是一個微妙的理論,我們還遠沒有完全理解它。」

Devoret說,在量子跳躍發生之前預測它們的可能性,使它們有點像火山爆發。每次噴發的發生都是無法預測的,但是通過觀察火山爆發前異常平靜的一段時間,就可以預測到一些大型火山的爆發。他說:「據我們所知,這個(量子躍遷的)前兆信號以前從未被提出或測量過。」

Devoret說,發現量子跳躍前體的能力可能會在量子傳感技術中得到應用。例如,「在原子鐘測量中,人們想要同步時鐘到原子的躍遷頻率,這可以作為參考,」他說。但是,如果您能夠在開始時就檢測到轉換是否即將發生,而不是等待轉換完成,那麼從長遠來看,同步將會更快,因此更加精確。

迪夫隆佐認為,這項工作還可能在量子計算的誤差校正方面找到應用,儘管他認為這「非常遙遠」。迪夫莫佐說:「要達到處理這種誤差所需要的控制水平,就需要對測量數據進行詳盡的收集,就像粒子物理學中數據密集的情況一樣。」

然而,這一結果的真正價值並不在於任何實際利益,問題在於我們對量子世界的工作原理了解多少。是的,它是隨機拍攝的——但不,它沒有被瞬間的抖動打斷。薛丁格是對的,也是錯的。


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