描述微觀世界的量子力學(xué)在約一個(gè)世紀(jì)前剛問世那會(huì)，代表著一些與經(jīng)典理論完全相悖的，被當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家們稱為是“激進(jìn)”的反直覺思想，其中相當(dāng)著名的一個(gè)便是“量子躍遷（Quantum Leap）”，即一個(gè)量子系統(tǒng)在兩個(gè)量子態(tài)間的轉(zhuǎn)換過程。

雖然有部分較為純粹的物理學(xué)家認(rèn)為這個(gè)詞存在歧義，但由于粒子在兩個(gè)量子態(tài)間轉(zhuǎn)換的過程中所需的能量極少，此前包括很多量子領(lǐng)域先驅(qū)人物在內(nèi)的物理學(xué)家都曾一度將這一過程默認(rèn)為是“瞬間發(fā)生的”。

然而就在最近，一項(xiàng)由耶魯大學(xué)主導(dǎo)的新研究表明，量子躍遷其實(shí)是一個(gè)如快放電影般的連續(xù)過程，而不是人們此前所想的那種“瞬間發(fā)生”的非連續(xù)事件。研究由耶魯大學(xué)納米級(jí)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室主管，Michel Devoret 的學(xué)生 Zlatko Minev 領(lǐng)導(dǎo)，結(jié)果已于近日發(fā)表在 Nature 雜志上。

在研究中，研究人員通過特制的高速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，成功捕捉到了量子躍遷將要發(fā)生的起始時(shí)間，并以此在量子躍遷進(jìn)行到一半的時(shí)候人為逆轉(zhuǎn)量子態(tài)的轉(zhuǎn)換過程，使系統(tǒng)恢復(fù)到其初始態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)此前被認(rèn)為是“不可避免且完全隨機(jī)”的量子態(tài)轉(zhuǎn)換過程的量化操控。

圖丨量子躍遷是一個(gè)極快的漸進(jìn)過程。（來源：Quanta Magazine，qoncha）

離散與隨機(jī)

量子物理學(xué)家馬克思波恩（Max Born）曾表示：“量子躍遷，表面上看是一個(gè)物理學(xué)問題，其實(shí)卻是一個(gè)與人類認(rèn)知相關(guān)的哲學(xué)問題。”

量子躍遷的“瞬發(fā)性”最早由包括尼爾斯波爾（Niels Bohr）和沃納海森堡（Werner Heisenberg）等早期量子物理學(xué)家于上世紀(jì) 20 年代提出，是哥本哈根學(xué)派量子力學(xué)理論的核心支柱之一。

波爾認(rèn)為，原子中每個(gè)電子的能級(jí)都是“量子化的”（quantized，此處可以近似理解為是“量化的”，因?yàn)榱孔踊旧碇傅钠鋵?shí)是一個(gè) quanta 對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的能量值），因此電子能級(jí)躍遷所需的能量也是“量子化”的，僅有當(dāng)入射能量的大小等于特定的值時(shí)電子的能級(jí)躍遷才會(huì)發(fā)生，他提出，這一過程能由“電子吸收和放出攜帶合適大小能量的光子”來完成，并以此解釋了不同原子的吸收和放射光譜會(huì)呈現(xiàn)出不同特征（即吸收和放射的光線的波長(zhǎng)差異）。

波爾和海森堡于上世紀(jì) 20 年代起開始著手研究粒子量子行為背后的數(shù)學(xué)原理。其中，海森堡所建的模型能夠計(jì)算出一個(gè)粒子的所有“可被允許的”量子態(tài)，但把這些量子態(tài)間的轉(zhuǎn)換假設(shè)為了一種非連續(xù)的離散過程，并由此引出了根本哈根學(xué)派基本假設(shè)之一的“量子躍遷”概念。

但埃爾溫薛定諤（Erwin Schr?dinger）對(duì)此并不贊同，并于后來對(duì)此提出了用于連續(xù)地量化描述粒子狀態(tài)的薛定諤方程（也就是波函數(shù)或波方程）。

具有連續(xù)性的波函數(shù)實(shí)質(zhì)上可以被看作是海森堡離散量子態(tài)模型的一個(gè)替代模型，在物理上表示一個(gè)量子系統(tǒng)所處的狀態(tài)，而其波狀外形也會(huì)隨時(shí)間的推移而發(fā)生連續(xù)性的變化（就好比是海面上的波浪）。薛定諤認(rèn)為，由于當(dāng)時(shí)間等于零時(shí)他模型中并沒有體現(xiàn)出海森堡模型中的“瞬間轉(zhuǎn)換”，“量子躍遷”在現(xiàn)實(shí)中其實(shí)并不存在。

事實(shí)上，“量子躍遷”的問題還僅限于它的“不連續(xù)性”，其發(fā)生的時(shí)間在海森堡模型中也被認(rèn)為是“完全隨機(jī)”的，即海森堡模型能解釋為何量子躍遷要在某一特定時(shí)刻發(fā)生，認(rèn)為這是現(xiàn)實(shí)的一種內(nèi)置隨機(jī)性。

這一觀點(diǎn)遭到了薛定諤和愛因斯坦的反對(duì)，認(rèn)為這種基于隨機(jī)性的宇宙是荒謬的，而“量子躍遷”問題也因此從一個(gè)物理問題因此上升成了一個(gè)哲學(xué)問題。

繞開觀測(cè)難題

1986 年，有三個(gè)團(tuán)隊(duì)最早觀測(cè)到了單個(gè)原子的量子態(tài)轉(zhuǎn)換，具體來說，是被電磁場(chǎng)懸浮于空中的單個(gè)原子在“明”（可放出光子）與“暗”（不可放出光子）兩個(gè)態(tài)間的轉(zhuǎn)換。

在觀測(cè)中，原子會(huì)在一個(gè)狀態(tài)下維持十幾分之一秒到數(shù)秒，然后發(fā)生“躍遷”轉(zhuǎn)換為另一種狀態(tài)。此后，也陸陸續(xù)續(xù)也有很多別的團(tuán)隊(duì)觀測(cè)到了這種轉(zhuǎn)換，而在所有這些實(shí)驗(yàn)中，這種量子態(tài)間的轉(zhuǎn)換過程在對(duì)量子系統(tǒng)的監(jiān)控過程中看起來的確像是完全隨機(jī)和突然的，但此次耶魯大學(xué)的新實(shí)驗(yàn)在觀測(cè)設(shè)定上通過盡可能的利用可獲取的信息并確保這些信息不會(huì)在系統(tǒng)被測(cè)量前被泄露，使科學(xué)家能密切跟蹤單次量子態(tài)轉(zhuǎn)換過程，并預(yù)測(cè)出每次轉(zhuǎn)換將會(huì)于何時(shí)發(fā)生。

具體來說，此次研究中所使用的量子系統(tǒng)是一個(gè)遠(yuǎn)大于單個(gè)原子，由超導(dǎo)材料導(dǎo)線所制成的“人造原子”，這種人造原子具有與真實(shí)原子中電子能級(jí)相似的量子態(tài)，能通過吸收或發(fā)射光子來完成在不同量子態(tài)間的轉(zhuǎn)換。

圖丨Michel Devoret (左) 與其學(xué)生 Zlatko Minev（右）在實(shí)驗(yàn)所用的低溫恒溫器前的合影。（來源：Yale Quantum Institute）

Devoret 的團(tuán)隊(duì)希望能通過實(shí)驗(yàn)觀察到人造原子在基態(tài)（最低能級(jí)）和激發(fā)態(tài)間的轉(zhuǎn)換，但由于觀測(cè)會(huì)使波函數(shù)發(fā)生坍縮，這種轉(zhuǎn)換并不能被直接觀察，團(tuán)隊(duì)需要在維持系統(tǒng)連續(xù)性的情況下設(shè)法從側(cè)面觀測(cè)這種轉(zhuǎn)換。

為此，Devoret 的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)涉及第二激發(fā)態(tài)的方法。在該方法中，系統(tǒng)可以通過吸收帶有特定能量的光子從基態(tài)變至第二激發(fā)態(tài)，而研究人員則能通過將超導(dǎo)電路放置在一個(gè)光學(xué)腔室（可反射特定波長(zhǎng)的光子）內(nèi)，使處于“明”態(tài)的系統(tǒng)在腔室內(nèi)具有能被探測(cè)到的特定光子散射方式，來判斷系統(tǒng)是否處于第二激發(fā)態(tài)（可被觀測(cè)的態(tài)），進(jìn)而判定系統(tǒng)是否處于“暗”態(tài)（不可被觀測(cè)的態(tài)）并以此間接對(duì)系統(tǒng)在量子態(tài)間的轉(zhuǎn)換進(jìn)行觀測(cè)。

未參與此項(xiàng)研究的物理學(xué)家 William Oliver 說：“這一設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于，這種測(cè)量能使科研人員在不對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行直接測(cè)量的情況下獲取與系統(tǒng)狀態(tài)有關(guān)的信息，通過僅調(diào)查系統(tǒng)是否處于‘明’或‘暗’態(tài)來維持系統(tǒng)在量子態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的量子相干性?！監(jiān)liver 表示，這種設(shè)計(jì)與量子計(jì)算機(jī)中所需的高效糾錯(cuò)方法密切相關(guān)，因?yàn)槎咴诒举|(zhì)上其實(shí)都是為了維持系統(tǒng)的相干性。

Devoret 表示，除了設(shè)計(jì)上的創(chuàng)新，實(shí)驗(yàn)還驗(yàn)證了量子測(cè)量并非與原子探頭所引發(fā)的函數(shù)波動(dòng)相關(guān)，而是直接與系統(tǒng)本身的狀態(tài)相關(guān)。

觀測(cè)躍遷

Devoret 的團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)過程中觀測(cè)到了系統(tǒng)的“明”態(tài)隨時(shí)間衰減，并在約 100 微秒后恢復(fù)為其原本的強(qiáng)度，但負(fù)責(zé)顯示系統(tǒng)處于“明”態(tài)的反饋器（一個(gè)會(huì)發(fā)出滴答聲的儀器）會(huì)每隔數(shù)百微秒停止反饋。

研究人員認(rèn)為，在反饋器停止反饋的時(shí)間段內(nèi)，系統(tǒng)應(yīng)該已經(jīng)經(jīng)歷了從“明”態(tài)到“暗”態(tài)的轉(zhuǎn)變，因此，研究認(rèn)員能夠借助反饋器從有反饋到無反饋的時(shí)間長(zhǎng)度信息（比如兩次滴答聲間相隔的時(shí)間要遠(yuǎn)大于此前的一般間隔時(shí)間），計(jì)算出量子躍遷的預(yù)計(jì)發(fā)生時(shí)間。

雖然研究人員實(shí)現(xiàn)了通過反饋器預(yù)測(cè)量子躍遷的發(fā)生時(shí)間，但團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，即使實(shí)驗(yàn)關(guān)掉“用于誘導(dǎo)躍遷發(fā)生的光子”，系統(tǒng)依然能在“明”和“暗”兩種量子態(tài)間相互轉(zhuǎn)換，因此，盡管躍遷事件本身在光子源被關(guān)掉后是隨機(jī)的，躍遷發(fā)生的過程仍在一定程度上是確定的。

團(tuán)隊(duì)在關(guān)閉光子源后以等細(xì)分的時(shí)間間隔為分辨率，對(duì)“是否會(huì)出現(xiàn)波爾和海森堡所提出的完全隨機(jī)的瞬間量子躍遷”進(jìn)行了重點(diǎn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)量子躍遷在現(xiàn)實(shí)中確是連續(xù)的，即使即使直接觀測(cè)可導(dǎo)致系統(tǒng)被觀測(cè)到正處于某一特定態(tài)，但系統(tǒng)在躍遷過程中實(shí)際上是處于由可能結(jié)果態(tài)（如“明”和“暗”）所構(gòu)成的疊加態(tài)，而隨著躍遷過程的進(jìn)一步發(fā)生，系統(tǒng)處于結(jié)果態(tài)的概率會(huì)變得越來越大，處于初始態(tài)的概率會(huì)變的越來越小，導(dǎo)致觀測(cè)結(jié)果越來越趨向于結(jié)果態(tài)。

在實(shí)際操作中，團(tuán)隊(duì)通過使用一種名為“重建層析成像（tomographic reconstruction）”的研究方法，計(jì)算出了系統(tǒng)疊加態(tài)中“明”和“暗”兩種態(tài)所占的比重，并在數(shù)微秒的躍遷發(fā)生期內(nèi)對(duì)比重變化進(jìn)行了觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)兩種態(tài)的比重確是逐漸變化的，而非突然（瞬間）增大或減小到某一特定值。

此外，由于系統(tǒng)量子躍遷的持續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)，研究人員可以在實(shí)際“捕捉”到這一轉(zhuǎn)變過程后通過向光學(xué)腔室內(nèi)發(fā)射光子來控制系統(tǒng)的躍遷過程，使其返回轉(zhuǎn)換開始前的初始態(tài)。

啟示

William Oliver 說：“耶魯?shù)倪@項(xiàng)研究表明，量子躍遷確是一個(gè)會(huì)隨時(shí)間推移而展開的真實(shí)物理事件?！?/p>

德國(guó)亞琛大學(xué)（Aachen University）量子信息專家 David DiVincenzo 表示，躍遷的連續(xù)性其實(shí)在理論研究中是量子軌跡理論的產(chǎn)物之一。DiVincenzo 說：“這很神奇，因?yàn)槲覀兇饲安⑽磳?duì)量子軌跡理論予以太多的重視，但此次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與它的預(yù)測(cè)相比是如此一致?！?/p>

Devoret 說：“此前，還從未有人通過巧妙設(shè)置信號(hào)反饋實(shí)現(xiàn)過量子躍遷發(fā)生可能性的計(jì)算，而現(xiàn)在，量子躍遷事件就好比是火山噴發(fā)，火山的每次噴發(fā)都是不可預(yù)測(cè)的，但我們可以通過火山的非典型靜止期來判斷它是否會(huì)在將來發(fā)生大規(guī)模噴發(fā)事件。”

Devoret 表示，研究結(jié)果將很可能會(huì)在未來被用于量子傳感技術(shù)，比如確保原子鐘的走速與原子轉(zhuǎn)換頻率同步。

DiVincenzo 認(rèn)為，該研究或許也能被用在量子計(jì)算機(jī)糾錯(cuò)中，雖然目前離實(shí)際應(yīng)用還有一段距離，但凡事總有開頭。

總的來說，雖然此次耶魯?shù)难芯咳〉昧艘恍┩黄菩赃M(jìn)展，但我們對(duì)量子力學(xué)的了解仍是一團(tuán)糟，比如雖然薛定諤在“量子躍遷是連續(xù)的”這一點(diǎn)上的確是對(duì)的，但量子躍遷的發(fā)生在目前看來卻仍是隨機(jī)的。