Nature 研究观测量子跃迁过程,薛定谔的波函数得到验证

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AI芯天下丨Nature 研究观测量子跃迁过程,薛定谔的波函数得到验证

量子跃迁过程的思维设定

奥地利物理学家欧文·薛定谔提出的著名思想实验“盒子里的猫”,是量子力学是量子力学基本特征的经典示例:在量子水平上,粒子行为是不可预测的。

然而,研究团队认为这是可能的。在一项新研究里,他们已经证明了他们能够预测一种叫做量子跃迁的东西,甚至还可以在跳跃开始之后,扭转整个进程。团队表示,他们能够把薛定谔的猫抢救回来。

研究团队发现跃迁其实是循序渐进的。即使直接观测只能够揭示处在某一个状态的系统,但是在量子跃迁过程中,系统处于两种最终状态的叠加态,或者说混合态。随着跃迁继续发生,直接测量的结果将越来越可能是最终态,而不是初始态。这就有点像我们的决定可能会随着时间的变化而变化。

耶鲁大学研发的技术揭示出对系统量子跃迁过程不断变化的思维设定。借助断层成像重建的方法,研究人员可以计算出叠加态中暗态和基态的相对权重。他们看到这些权重在几微秒的时间内逐渐变化。虽然这已经相当快了,但它肯定不是瞬时的。

另外,这套电子系统快到能让研究人员“捕捉”到两种状态的切换,然后进行逆转,方法是将一束光子脉冲送入空腔,催动系统重返暗态。

观测到跃迁的细节

现在,物理学家不仅可以预测、还可以操纵,人为地改变量子跃迁结果。由耶鲁大学领导的团队在被称为量子比特的人工原子上完成了实验,这些原子也被用作量子计算机中的基本信息单位。

每次去测量量子量子比特时,它都会执行能级跳跃。归根到底,它们都是不可预测的,而这可能会导致量子计算出现问题。研究团队想知道是否有可能在量子跃迁之前得到预警。

该团队设计了间接观察超导量子比特的实验,其中用到3部微波发生器在铝制的密封3D外壳内照射量子比特。

微波辐射在量子比特切换能级,而另一束微波辐射用来监测外壳。当量子比特处于基态时,微波束产生光子。突然缺失光子意味着量子比特即将跃入激发态。

结果表明,量子跃迁并不是一个间断式的跳级;不是按一下就变的开关,或许,更像是有滑动过程的操纵杆。因此,完美定时的辐射脉冲可以在检测到量子跃迁后将其打回原形,使量子位回到基态;或者,对薛定谔的猫来说,可以使死亡(激发态)的猫咪死而复生(基态)。

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结果证明了薛定谔的波函数

实验表明量子跃迁“实际上并不是瞬时发生的,只要我们观察得足够仔细,就会发现它其实是相干过程”,即随着时间的推移展开的真实物理事件。跃迁的渐进性正符合量子理论的一种形式,即量子轨迹理论的预测,这一理论能够描述类似这样的单个事件。

在量子跃迁快要发生之前进行预测是有可能的,就好像火山爆发一样。每次爆发都不可预测,但是对于一些大型爆发,我们能够通过观察爆发之前异常平静的阶段来作出预判。这种量子跃迁之前的预兆信号以前从未被提出或测量过。

如果能标记出量子跃迁的预兆信号,那么就可能找到量子传感技术的新应用。在原子钟测量中,人们想将钟与作为参考标准的原子频率同步。但如果能在转变即将发生前准确探测到,而不是只能等到转变完成之后,同步就能更快,因而长期运作会更加精准。

这项研究可能还能应用于量子计算纠错方面。如果想要实现能用来处理这类错误的控制水平,那就要求对测量数据进行十分详尽的收集,就好像粒子物理中收集海量数据的情况一样。

总的来说,虽然此次耶鲁的研究取得了一些突破性进展,但我们对量子力学的了解仍是一团糟,比如虽然薛定谔在“量子跃迁是连续的”这一点上的确是对的,但量子跃迁的发生在目前看来却仍是随机的。

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结尾:

先贤们几千年积攒下来的思想成果滋养了我们的智慧,他们点亮了一个又一个灯塔,指引着人类的发展方向。没有人的观点全部正确,也没有人的观点一无是处。有些观点后来被事实证明是一个个错误,那也是他们在错误的地方树立起了一个个指引正确航道的航标灯。

智慧从怀疑开始,真正的科学精神是怀疑与批判。终极理论不会是一个全新的理论,它就藏在现有的理论之中,当我们以客观逻辑为工具,就能在错综复杂的观点中找出宇宙真实的脉络。

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