捕捉“量子躍遷”

編譯 魏劉偉

一項(xiàng)新的實(shí)驗(yàn)捕獲到一個處于躍遷中的量子系統(tǒng)——這曾被量子力學(xué)的先驅(qū)者認(rèn)為是不可能的。請看菲利普·鮑爾（Philip Ball）為此帶來的報道。

米歇爾·德維萊特（左）和茲拉特科·米耶夫在實(shí)驗(yàn)室低溫控制器前

當(dāng)量子力學(xué)在一個世紀(jì)前作為理解原子尺度世界的理論被提出時，其中的一個關(guān)鍵概念曾是如此激進(jìn)、大膽和違反直覺，以至于它變成了流行語言，那就是：量子躍遷。純粹主義者可能會提出反對，因?yàn)槿藗兤毡榱?xí)慣把這個術(shù)語應(yīng)用于一個大的變化，這忽略了兩個量子態(tài)之間的躍遷通常很小的事實(shí)，這正是為什么它們沒有被更早地注意到的原因。但真正的關(guān)鍵是它們是突然發(fā)生的，如此突然以至于許多量子力學(xué)的先驅(qū)者認(rèn)為它們是瞬時的。

一項(xiàng)新的實(shí)驗(yàn)表明它們不是瞬時的。通過高速影片，使得量子躍遷的過程就像太陽下雪人融化的過程一樣緩慢。耶魯大學(xué)的米歇爾·德維萊特（Michel Devoret）說：“如果我們能夠快速有效地測量量子躍遷，我們會發(fā)現(xiàn)這實(shí)際上是一個連續(xù)的過程?！边@項(xiàng)研究由德維萊特實(shí)驗(yàn)室的研究生茲拉特科·米耶夫（Zlatko Minev）領(lǐng)導(dǎo)，2019年6月3日發(fā)表在《自然》雜志上。他的同行們對此非常興奮?！斑@真是一個了不起的實(shí)驗(yàn)，真的很棒?！甭槭±砉W(xué)院的物理學(xué)家威廉·奧利弗（William Oliver）說。他沒有參與這項(xiàng)工作。

但是還沒完，通過高速監(jiān)控系統(tǒng)，研究人員可以定位量子躍遷即將出現(xiàn)的一瞬間，在其發(fā)生的中途“捕獲”它，并將其反轉(zhuǎn)，把系統(tǒng)送回初始狀態(tài)。通過這種方式，量子力學(xué)的先驅(qū)們曾經(jīng)認(rèn)為的物理世界中不可避免的隨機(jī)性現(xiàn)在被證明是可以控制的。我們可以掌控量子了。

太隨機(jī)了

量子躍遷的瞬時性是20世紀(jì)20年代中期玻爾、海森堡和他們的同事所提出的量子理論的中心支柱。玻爾早先曾說過，原子中電子的能量狀態(tài)是“量子化”的：只有某些能量是可用的，而處于兩者之間的能量是被禁止的。他認(rèn)為電子通過吸收或發(fā)射光量子——即光子——來改變能量，這些粒子的能量與允許的電子態(tài)之間的間隙相匹配。這就解釋了為什么原子和分子會吸收和發(fā)射特定波長的光——比如說，許多銅鹽是藍(lán)色的，而鈉燈則是黃色的。

玻爾和海森堡在20世紀(jì)20年代開始發(fā)展關(guān)于這些量子現(xiàn)象的數(shù)學(xué)理論。海森堡的量子力學(xué)列舉了所有允許的量子態(tài)，并隱含地假定它們之間的躍遷是瞬時-不連續(xù)的?！八矔r量子躍遷的概念成為哥本哈根解釋中的一個基本概念?！笨茖W(xué)史學(xué)家瑪拉·貝勒（Mara Beller）寫道。

量子力學(xué)的另一位先驅(qū)，奧地利物理學(xué)家薛定諤非常痛恨這個觀點(diǎn)。起初，他設(shè)計了一種替代海森堡關(guān)于離散量子態(tài)和它們之間的瞬時躍遷的數(shù)學(xué)方法。薛定諤的理論用被稱為波函數(shù)的類波實(shí)體來描述量子，它隨時間平穩(wěn)、連續(xù)地變化，就像大海上的平緩起伏?，F(xiàn)實(shí)世界中的事物不會在零時間內(nèi)突然發(fā)生變化，薛定諤認(rèn)為不連續(xù)的“量子躍遷”只是心靈的虛構(gòu)。在1952年的一篇題為《量子躍遷存在嗎？》的論文中，薛定諤堅定地回答道：“不。”他的惱怒就像他所說的“量子怪胎”一樣明顯。

這場爭論不僅僅是關(guān)于薛定諤對瞬時變化的不滿。量子躍遷的問題還在于，它會在一個隨機(jī)的時刻發(fā)生——沒有任何解釋可以說明為什么會發(fā)生在這個特殊的時刻。因此，這是一種沒有原因的結(jié)果，一個明顯的插入到自然界的心臟之中的隨機(jī)性的例子。薛定諤和他的密友阿爾伯特·愛因斯坦無法接受現(xiàn)實(shí)在最基本層面上的隨機(jī)性和不可預(yù)見性。根據(jù)德國物理學(xué)家馬克斯·玻恩的說法，這場爭論“與其說是物理學(xué)內(nèi)部的問題，不如說是它與哲學(xué)和人類知識的關(guān)系問題”。換句話說，量子躍遷的實(shí)在性是關(guān)鍵所在。

量子躍遷并非物理學(xué)內(nèi)部的問題，而是物理學(xué)與哲學(xué)和人類知識的一般關(guān)系之一。

——馬克斯·玻恩

不用看也能“看見”的觀察

為了進(jìn)一步探索，我們需要看到量子躍遷。1986年，有三個研究小組報告說，量子躍遷發(fā)生在由電磁場懸浮于空間中的單個原子中。原子在“亮”態(tài)和“暗”態(tài)之間轉(zhuǎn)換，在“亮”態(tài)下，它們可以發(fā)射出光子；而“暗”態(tài)下，原子則不會在任意時刻發(fā)射出光子；它們在一種狀態(tài)或另一種狀態(tài)中停留幾秒到幾十秒，然后再次躍遷。從那時起，這種躍遷就在各種系統(tǒng)中被觀察到了：從光子在量子態(tài)之間的轉(zhuǎn)換到固體物質(zhì)中的原子在量子化磁態(tài)之間的躍遷。2007年，法國的一個研究小組發(fā)現(xiàn)了與“單個光子從出生到死亡”相對應(yīng)的躍遷。

在這些實(shí)驗(yàn)中，躍遷看起來確實(shí)是突然和隨機(jī)的——在監(jiān)測量子系統(tǒng)時，沒有發(fā)現(xiàn)它們何時發(fā)生，也沒有拍下躍遷的細(xì)節(jié)照片。相比之下，耶魯大學(xué)團(tuán)隊的裝置讓他們能夠預(yù)測何時會出現(xiàn)一個躍遷，然后進(jìn)行放大檢查。實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是能夠只收集有關(guān)該躍遷的所有可用信息，以便在測量之前沒有任何信息泄漏到環(huán)境中。只有這樣，他們才能追蹤如此詳細(xì)的單個躍遷。

研究人員所使用的量子系統(tǒng)比原子要大得多，它由一種超導(dǎo)材料所制作的導(dǎo)線構(gòu)成，有時被稱為“人造原子”，因?yàn)樗哂蓄愃朴谡鎸?shí)原子中電子態(tài)的離散量子能態(tài)。能態(tài)之間的躍遷可以通過吸收或發(fā)射光子來引起，就像原子中的電子一樣。

德維萊特和他的同事們希望看到一個人造原子在其最低能態(tài)(基態(tài))和能量激發(fā)態(tài)之間的躍遷。但他們無法直接監(jiān)測這種轉(zhuǎn)變，因?yàn)閷α孔酉到y(tǒng)進(jìn)行測量會破壞量子行為所依賴的波函數(shù)的相干性。為了觀察量子躍遷，研究人員必須保持這種相干性。否則他們會使波函數(shù)“崩潰”，這將使人工原子處于確定的一種或另一種狀態(tài)。薛定諤的貓就是這樣一個著名的例子，據(jù)說它被放置在一個相干的量子“疊加”中，它是活態(tài)和死態(tài)的“疊加”，但當(dāng)觀察它時，它就塌縮為其中一種狀態(tài)。

為了解決這個問題，德維萊特和他的同事使用了一個涉及第二個激發(fā)態(tài)的巧妙方法。系統(tǒng)可以通過吸收不同能量的光子從基態(tài)到達(dá)第二激發(fā)態(tài)。研究人員以一種只顯示系統(tǒng)是否處于第二種“亮”態(tài)的方式來探測這個系統(tǒng)，因?yàn)樗强梢员挥^察的。與此同時，研究人員實(shí)際上正在尋找量子躍遷的“暗”態(tài)，因?yàn)樗匀浑[藏在直接觀察之下。

研究人員將超導(dǎo)電路放置在一個光學(xué)腔(一個適當(dāng)波長的光子可以在其中反彈的腔)中，這樣，如果系統(tǒng)處于亮態(tài)，光在腔內(nèi)散射的方式就會發(fā)生變化。每當(dāng)亮態(tài)由于光子的發(fā)射而衰減時，探測器就會發(fā)出類似于蓋革計數(shù)器的“滴答”的信號。

奧利弗稱，這里的關(guān)鍵在于該測量可以不直接詢問系統(tǒng)的狀態(tài)就能夠提供有關(guān)的信息。實(shí)際上，它會詢問系統(tǒng)是否處于基態(tài)和暗態(tài)。這種模糊性對于在這兩種狀態(tài)之間躍遷時保持量子相干性至關(guān)重要。奧利弗說，在這方面，耶魯團(tuán)隊使用的方案與量子計算機(jī)中用于糾錯的方案密切相關(guān)。在量子計算機(jī)中，也有必要在不破壞量子計算所依賴的相干性的情況下獲取關(guān)于量子比特的信息。同樣，這是通過不直接查看所討論的量子比特，而是探測耦合到它的一個輔助狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)的。

這個策略揭示了量子測量并不在于由探測引起的物理擾動，而在于你所知道的(以及你所不知道的)信息。“事件的不發(fā)生與發(fā)生會產(chǎn)生一樣多的信息?！钡戮S萊特說。他把它比作福爾摩斯探案集的一個故事，在這個故事中福爾摩斯從一個“奇特的事件”中推斷出一條至關(guān)重要的線索，在這起事件中，一只狗在夜間什么也沒做。德維萊特借用另一個與狗有關(guān)的福爾摩斯故事，稱它為“巴斯克維爾的獵犬遇見薛定諤的貓”。

事件的不發(fā)生可以帶來的信息和它的發(fā)生所帶來的信息一樣多。

——米歇爾·德維萊特

“捕捉”躍遷

耶魯大學(xué)的研究小組從探測器上聽到了一系列的嘀嗒聲，每一次都意味著亮態(tài)的衰變，通常每隔幾微秒就會有一次。這種滴答聲大約每隔幾百微秒就會被中斷，顯然是隨機(jī)的。然后，在通常維持100微秒左右的周期后，滴答聲就會恢復(fù)。在那段寂靜的時間里，這個系統(tǒng)應(yīng)該經(jīng)歷了向暗態(tài)的過渡，因?yàn)檫@是唯一能防止在基態(tài)和亮態(tài)之間來回轉(zhuǎn)換的東西。

所以從“滴答”到“不滴答”狀態(tài)的轉(zhuǎn)換就是單個的量子躍遷，就像在早期關(guān)于被困原子的實(shí)驗(yàn)中所看到的那樣。然而在此情形下，德維萊特和他的同事們可以看到一些新的東西。

在每次躍遷到暗態(tài)之前，通常會有一個短暫的滴答暫停，這個暫停就是即將到來的躍遷的先兆。德維萊特說：“一旦不滴答的時間長度明顯超過了兩次滴答之間通常的時間間隔，你就會得到一個相當(dāng)好的預(yù)警——躍遷即將發(fā)生?！?/p>

這一預(yù)警使研究人員能夠更詳細(xì)地研究這種躍遷。當(dāng)他們看到這個短暫的停頓時，他們關(guān)掉了驅(qū)動躍遷的光子的輸入。令人驚訝的是，即使沒有光子驅(qū)動，向暗態(tài)的過渡仍然發(fā)生了——就好像在短暫的停頓開始時，命運(yùn)已經(jīng)確定了。因此，盡管躍遷本身是在一個隨機(jī)的時間發(fā)生的，但在其過程中也有一些確定的東西。

隨著光子輸入的關(guān)閉，研究人員以非常精細(xì)的時間分辨率放大了躍遷，以觀察它的展開。它是瞬間發(fā)生的嗎？量子躍遷是像玻爾和海森堡所說的瞬時發(fā)生的？還是像薛定諤所認(rèn)為的那樣連續(xù)進(jìn)行的？如果是連續(xù)的，情形如何？

研究小組發(fā)現(xiàn)，躍遷實(shí)際上是漸進(jìn)的。這是因?yàn)?，盡管直接觀察只能揭示系統(tǒng)處于一種或另一種狀態(tài)，但在量子躍遷過程中，系統(tǒng)處于這兩種狀態(tài)的疊加或混合狀態(tài)。隨著躍遷的進(jìn)展，直接測量將越來越有可能產(chǎn)生最終狀態(tài)而不是初始狀態(tài)。這有點(diǎn)像我們的決定會隨著時間的推移而演變。你要么留在派對上，要么離開派對——這是一個二元選擇——但隨著夜晚的流逝你會感到疲倦，“留下來還是離開？”這個問題的答案越來越可能會成為：“我要走了?！?/p>

耶魯研究小組開發(fā)的技術(shù)揭示了量子躍遷過程中系統(tǒng)思維方式的變化。通過一種叫作層析重建的方法，研究人員可以計算疊加中暗態(tài)和基態(tài)的相對權(quán)重。他們看到這些權(quán)重在幾微秒內(nèi)逐漸變化。這相當(dāng)快，但肯定不是瞬時的。

更重要的是，這個電子系統(tǒng)的速度如此之快，以至于研究人員能夠“捕捉”兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，然后將光子脈沖送入腔體，將系統(tǒng)推進(jìn)到暗態(tài)。他們可以說服這個系統(tǒng)改變主意，最終留在派對中。

頓悟之光

“這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明，如果我們仔細(xì)觀察的話，量子躍遷確實(shí)不是瞬時的，”奧利弗說，“而是相干的過程?！彪S著時間的推移，真實(shí)的物理事件發(fā)生了。

“躍遷”的漸進(jìn)性正是由一種叫作量子軌跡理論的量子理論所預(yù)言的，它可以描述像這樣的個別事件。德國亞琛大學(xué)的量子信息專家戴維·迪文森佐（David DiVincenzo）說：“令人欣慰的是，這個理論與我們所看到的完全吻合，但這是一個微妙的理論，我們還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有完全理解它?！?/p>

德維萊特說，在量子躍遷發(fā)生之前預(yù)測量子躍遷的可能性，使得它們在某種程度上類似于火山爆發(fā)。每一次噴發(fā)都是不可預(yù)測的，但對一些大規(guī)模的噴發(fā)的預(yù)測可以通過觀察它們之前的異常平靜期來預(yù)測。他說：“據(jù)我們所知，這種（量子躍遷的）前兆信號以前從未有人提出或測量過?！?/p>

德維萊特說，發(fā)現(xiàn)量子躍遷預(yù)兆的能力可能會在量子傳感技術(shù)中找到應(yīng)用。例如，“在原子鐘測量中，人們希望將時鐘同步到原子的轉(zhuǎn)換頻率以作為參考?！彼f。但是，如果你可以在開始時就檢測到轉(zhuǎn)換即將發(fā)生，而不是等待完成，則同步可以更快，因此長期來說更精確。

迪文森佐認(rèn)為，這項(xiàng)工作也可能在量子計算的糾錯中找到應(yīng)用，盡管他認(rèn)為這“相當(dāng)遙遠(yuǎn)”。迪文森佐說，要達(dá)到處理這些錯誤所需的控制水平，就需要對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行徹底的收集——就像粒子物理學(xué)中的數(shù)據(jù)密集型情況一樣。

然而，這個結(jié)果的真正價值并不在于任何實(shí)際的好處，而在于我們對量子世界的運(yùn)作了解到了什么。是的，它是隨機(jī)的——但不，它不是瞬時的。恰如其分地說，薛定諤是對的也是錯的。