薛定諤的貓有救了！物理學(xué)家通過新方法預(yù)測量子躍遷

據(jù)國外媒體報道，著名的“薛定諤的貓”是量子疊加性和不可預(yù)測性的象征，而耶魯大學(xué)的研究人員找到了一種能夠“捕獲”和“拯救”這只“貓”的方法，通過預(yù)測其跳躍動作采取實(shí)時行動，從而將其從厄運(yùn)中拯救出來。在研究過程中，他們推翻了量子物理學(xué)界多年來的基柱性教條。

這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)讓研究人員能夠建立一套提前預(yù)警系統(tǒng)，預(yù)測含有量子信息的人造原子即將發(fā)生的“跳躍”動作。宣布此項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的報告發(fā)表在6月3日的在線版《自然》期刊上。

“薛定諤的貓”是一個著名悖論，闡釋了量子物理中“疊加”的概念（即相反的兩種狀態(tài)可以同時存在）和不可預(yù)測性。這個悖論是這樣的：一只貓被放在一個密封的盒子中，盒子里有一個放射源，還有一種毒藥。若放射性物質(zhì)有一個原子發(fā)生衰變，就會釋放毒藥。量子物理的疊加理論認(rèn)為，在有人打開這個盒子之前，其中的貓既是活的，又是死的，即處于兩種狀態(tài)的疊加態(tài)。一旦打開盒子、觀察到了貓的死活，其量子態(tài)就會立即改變，變成“死”或“活”中的一種。

量子躍遷是指，量子態(tài)被人觀察到時發(fā)生的離散（非連續(xù)）、隨機(jī)的變化。

此次實(shí)驗(yàn)在耶魯大學(xué)教授米歇爾·德沃雷特（Michel Devoret）的實(shí)驗(yàn)室中開展，由主要作者茲拉特科·米奈弗（Zlatko Minev）提出，首次對量子躍遷的真正運(yùn)作機(jī)制進(jìn)行了考察。而結(jié)果令人大吃一驚，與丹麥物理學(xué)家玻爾的著名理論背道而馳。該研究結(jié)果顯示，與之前認(rèn)為的不同，量子躍遷的發(fā)生既不突然、又不隨機(jī)。

對電子、分子、或含有量子信息的人造原子（又稱量子比特）等小物體來說，量子躍遷是指從一個離散的能態(tài)突然轉(zhuǎn)移到另一個能態(tài)。在研發(fā)量子計算機(jī)時，研究人員必須解決量子比特的躍遷問題，因?yàn)榱孔榆S遷代表著計算錯誤。

深奧難解的量子躍遷理論最早由玻爾于一個世紀(jì)前提出，但一直到上世紀(jì)80年代才在原子中被觀察到。

“我們每次對一個量子比特進(jìn)行測量，都會發(fā)生這種躍遷?！钡挛掷滋乇硎?，他是耶魯大學(xué)應(yīng)用物理和物理學(xué)教授和耶魯量子研究所成員，“量子躍遷從長期來看，是無法進(jìn)行預(yù)測的。”

“盡管如此，”米奈弗補(bǔ)充道，“我們還是試試看，是否有可能對即將發(fā)生的躍遷發(fā)出預(yù)警信號?！?/p>

米奈弗指出，此次實(shí)驗(yàn)是受了奧克蘭大學(xué)教授、量子軌跡理論的先驅(qū)霍華德·卡邁克爾（Howard Carmichael）所做的一項(xiàng)理論預(yù)測的啟發(fā)。

除了其產(chǎn)生的巨大影響之外，此次發(fā)現(xiàn)還可能代表著，我們對量子信息的理解和控制取得了重大進(jìn)展。研究人員表示，可靠地管理量子數(shù)據(jù)和實(shí)時糾錯是研發(fā)量子計算機(jī)過程中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

此次耶魯團(tuán)隊(duì)利用了一種特殊方法，對一個超導(dǎo)人造原子展開間接監(jiān)測，利用三臺微波發(fā)射器，對密封在一個用鋁制成的3D空腔中的原子進(jìn)行輻射。這種雙重間接監(jiān)測方法由米奈弗提出，讓研究人員能夠以從未有過的高效率觀察原子。

微波輻射能夠在人造原子被觀察到的同時、對其進(jìn)行激發(fā)，造成量子躍遷。而這些躍遷發(fā)射的微弱量子信號能夠被放大，不會因室溫造成損失。在此次實(shí)驗(yàn)中，這些信號可以得到實(shí)時監(jiān)測，讓研究人員能夠及時發(fā)現(xiàn)檢測光子（即由受微波激發(fā)的原子的振蕩態(tài)釋放出的光子）的突然消失。檢測光子的消失便是即將發(fā)生量子躍遷的預(yù)警信號。

“此次實(shí)驗(yàn)顯示，盡管受到了觀察，但量子躍遷的一致性有所增加?！钡挛掷滋刂赋?。米奈弗也補(bǔ)充道：“利用這一點(diǎn)，我們不僅能及時捕捉到量子躍遷，還能逆轉(zhuǎn)它?！?/p>

研究人員表示，這一點(diǎn)非常關(guān)鍵。雖然從長期來看，量子躍遷的發(fā)生顯得離散而隨機(jī)，但逆轉(zhuǎn)量子躍遷意味著，量子態(tài)的演變從部分程度上來說是一種確定性的、并不隨機(jī)的特性。量子躍遷的起點(diǎn)雖然隨機(jī)，但總是以同一種可以預(yù)測的方式發(fā)生。

“一個原子的量子躍遷有點(diǎn)類似火山爆發(fā)?！泵啄胃ブ赋觯皬拈L期來看完全無法預(yù)測，但只要監(jiān)測方法得當(dāng)，我們肯定能探測到災(zāi)難即將發(fā)生的信號，并及時采取行動。”

此次研究的其他共同作者還有耶魯大學(xué)的羅伯特·舍爾考夫（Robert Schoelkopf）、尚塔努·蒙德哈達(dá)（Shantanu Mundhada）、希亞姆·山卡爾（Shyam Shankar）和菲利普·萊因霍德（Philip Reinhold），奧克蘭大學(xué)的里卡多·古鐵雷斯·豪瑞吉（Ricardo Gutiérrez-Jáuregui），以及法國計算機(jī)科學(xué)與自動化研究所的瑪茲亞爾·米拉西密（Mazyar Mirrahimi）。此次研究由美國陸軍研究辦公室支持，是耶魯大學(xué)量子研究取得的最新進(jìn)展。耶魯大學(xué)的科學(xué)家們正在研發(fā)量子計算機(jī)的第一線奮斗，已經(jīng)在利用超導(dǎo)電路的量子計算機(jī)領(lǐng)域做出了一些開創(chuàng)性的工作。