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(gè)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(qǐng)看菲利普·鮑爾（Philip Ball）為此帶來(lái)的報(bào)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(gè)世紀(jì)前作為理解原子尺度世界的理論被提出時(shí)，其中的一個(gè)關(guān)鍵概念曾是如此激進(jìn)、大膽和違反直覺(jué)，以至于它變成了流行語(yǔ)言，那就是：量子躍遷。純粹主義者可能會(huì)提出反對(duì)，因?yàn)槿藗兤毡榱?xí)慣把這個(gè)術(shù)語(yǔ)應(yīng)用于一個(gè)大的變化，這忽略了兩個(gè)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(méi)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(shí)的。

一項(xiàng)新的實(shí)驗(yàn)表明它們不是瞬時(shí)的。通過(guò)高速影片，使得量子躍遷的過(guò)程就像太陽(yáng)下雪人融化的過(guò)程一樣緩慢。耶魯大學(xué)的米歇爾·德維萊特（Michel Devoret）說(shuō)：“如果我們能夠快速有效地測(cè)量量子躍遷，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)這實(shí)際上是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程。”這項(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(duì)此非常興奮。“這真是一個(gè)了不起的實(shí)驗(yàn)，真的很棒。”麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家威廉·奧利弗（William Oliver）說(shuō)。他沒(méi)有參與這項(xiàng)工作。

但是還沒(méi)完，通過(guò)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(guò)這種方式，量子力學(xué)的先驅(qū)們?cè)?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(shí)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(shuō)過(guò)，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(guò)吸收或發(fā)射光量子——即光子——來(lái)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(huì)吸收和發(fā)射特定波長(zhǎng)的光——比如說(shuō)，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(kāi)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(shí)-不連續(xù)的。“瞬時(shí)量子躍遷的概念成為哥本哈根解釋中的一個(gè)基本概念。”科學(xué)史學(xué)家瑪拉·貝勒（Mara Beller）寫(xiě)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(gè)觀點(diǎn)。起初，他設(shè)計(jì)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(shí)躍遷的數(shù)學(xué)方法。薛定諤的理論用被稱(chēng)為波函數(shù)的類(lèi)波實(shí)體來(lái)描述量子，它隨時(shí)間平穩(wěn)、連續(xù)地變化，就像大海上的平緩起伏。現(xiàn)實(shí)世界中的事物不會(huì)在零時(shí)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(jiān)定地回答道：“不。”他的惱怒就像他所說(shuō)的“量子怪胎”一樣明顯。

這場(chǎng)爭(zhēng)論不僅僅是關(guān)于薛定諤對(duì)瞬時(shí)變化的不滿。量子躍遷的問(wèn)題還在于，它會(huì)在一個(gè)隨機(jī)的時(shí)刻發(fā)生——沒(méi)有任何解釋可以說(shuō)明為什么會(huì)發(fā)生在這個(gè)特殊的時(shí)刻。因此，這是一種沒(méi)有原因的結(jié)果，一個(gè)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(ài)因斯坦無(wú)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(jiàn)性。根據(jù)德國(guó)物理學(xué)家馬克斯·玻恩的說(shuō)法，這場(chǎng)爭(zhēng)論“與其說(shuō)是物理學(xué)內(nèi)部的問(wèn)題，不如說(shuō)是它與哲學(xué)和人類(lèi)知識(shí)的關(guān)系問(wèn)題”。換句話說(shuō)，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(wèn)題，而是物理學(xué)與哲學(xué)和人類(lèi)知識(shí)的一般關(guān)系之一。

——馬克斯·玻恩

不用看也能“看見(jiàn)”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(gè)研究小組報(bào)告說(shuō)，量子躍遷發(fā)生在由電磁場(chǎng)懸浮于空間中的單個(gè)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(huì)在任意時(shí)刻發(fā)射出光子；它們?cè)谝环N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(shí)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(guó)的一個(gè)研究小組發(fā)現(xiàn)了與“單個(gè)光子從出生到死亡”相對(duì)應(yīng)的躍遷。

在這些實(shí)驗(yàn)中，躍遷看起來(lái)確實(shí)是突然和隨機(jī)的——在監(jiān)測(cè)量子系統(tǒng)時(shí)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)它們何時(shí)發(fā)生，也沒(méi)有拍下躍遷的細(xì)節(jié)照片。相比之下，耶魯大學(xué)團(tuán)隊(duì)的裝置讓他們能夠預(yù)測(cè)何時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)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(cè)量之前沒(méi)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(gè)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(shí)被稱(chēng)為“人造原子”，因?yàn)樗哂蓄?lèi)似于真實(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(guò)吸收或發(fā)射光子來(lái)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(gè)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(wú)法直接監(jiān)測(cè)這種轉(zhuǎn)變，因?yàn)閷?duì)量子系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量會(huì)破壞量子行為所依賴(lài)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(huì)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(gè)著名的例子，據(jù)說(shuō)它被放置在一個(gè)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(shí)，它就塌縮為其中一種狀態(tài)。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，德維萊特和他的同事使用了一個(gè)涉及第二個(gè)激發(fā)態(tài)的巧妙方法。系統(tǒng)可以通過(guò)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(lái)探測(cè)這個(gè)系統(tǒng)，因?yàn)樗强梢员挥^察的。與此同時(shí)，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(gè)光學(xué)腔(一個(gè)適當(dāng)波長(zhǎng)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(huì)發(fā)生變化。每當(dāng)亮態(tài)由于光子的發(fā)射而衰減時(shí)，探測(cè)器就會(huì)發(fā)出類(lèi)似于蓋革計(jì)數(shù)器的“滴答”的信號(hào)。

奧利弗稱(chēng)，這里的關(guān)鍵在于該測(cè)量可以不直接詢(xún)問(wèn)系統(tǒng)的狀態(tài)就能夠提供有關(guān)的信息。實(shí)際上，它會(huì)詢(xún)問(wèn)系統(tǒng)是否處于基態(tài)和暗態(tài)。這種模糊性對(duì)于在這兩種狀態(tài)之間躍遷時(shí)保持量子相干性至關(guān)重要。奧利弗說(shuō)，在這方面，耶魯團(tuán)隊(duì)使用的方案與量子計(jì)算機(jī)中用于糾錯(cuò)的方案密切相關(guān)。在量子計(jì)算機(jī)中，也有必要在不破壞量子計(jì)算所依賴(lài)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(guò)不直接查看所討論的量子比特，而是探測(cè)耦合到它的一個(gè)輔助狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

這個(gè)策略揭示了量子測(cè)量并不在于由探測(cè)引起的物理擾動(dòng)，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(huì)產(chǎn)生一樣多的信息。”德維萊特說(shuō)。他把它比作福爾摩斯探案集的一個(gè)故事，在這個(gè)故事中福爾摩斯從一個(gè)“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(méi)做。德維萊特借用另一個(gè)與狗有關(guān)的福爾摩斯故事，稱(chēng)它為“巴斯克維爾的獵犬遇見(jiàn)薛定諤的貓”。

事件的不發(fā)生可以帶來(lái)的信息和它的發(fā)生所帶來(lái)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(cè)器上聽(tīng)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(huì)有一次。這種滴答聲大約每隔幾百微秒就會(huì)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(huì)恢復(fù)。在那段寂靜的時(shí)間里，這個(gè)系統(tǒng)應(yīng)該經(jīng)歷了向暗態(tài)的過(guò)渡，因?yàn)檫@是唯一能防止在基態(tài)和亮態(tài)之間來(lái)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(gè)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(huì)有一個(gè)短暫的滴答暫停，這個(gè)暫停就是即將到來(lái)的躍遷的先兆。德維萊特說(shuō)：“一旦不滴答的時(shí)間長(zhǎng)度明顯超過(guò)了兩次滴答之間通常的時(shí)間間隔，你就會(huì)得到一個(gè)相當(dāng)好的預(yù)警——躍遷即將發(fā)生。”

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(gè)短暫的停頓時(shí)，他們關(guān)掉了驅(qū)動(dòng)躍遷的光子的輸入。令人驚訝的是，即使沒(méi)有光子驅(qū)動(dòng)，向暗態(tài)的過(guò)渡仍然發(fā)生了——就好像在短暫的停頓開(kāi)始時(shí)，命運(yùn)已經(jīng)確定了。因此，盡管躍遷本身是在一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間發(fā)生的，但在其過(guò)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(shí)間分辨率放大了躍遷，以觀察它的展開(kāi)。它是瞬間發(fā)生的嗎？量子躍遷是像玻爾和海森堡所說(shuō)的瞬時(shí)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)椋M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(guò)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(cè)量將越來(lái)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(huì)隨著時(shí)間的推移而演變。你要么留在派對(duì)上，要么離開(kāi)派對(duì)——這是一個(gè)二元選擇——但隨著夜晚的流逝你會(huì)感到疲倦，“留下來(lái)還是離開(kāi)？”這個(gè)問(wèn)題的答案越來(lái)越可能會(huì)成為：“我要走了。”

耶魯研究小組開(kāi)發(fā)的技術(shù)揭示了量子躍遷過(guò)程中系統(tǒng)思維方式的變化。通過(guò)一種叫作層析重建的方法，研究人員可以計(jì)算疊加中暗態(tài)和基態(tài)的相對(duì)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(shí)的。

更重要的是，這個(gè)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(shuō)服這個(gè)系統(tǒng)改變主意，最終留在派對(duì)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(shí)的，”奧利弗說(shuō)，“而是相干的過(guò)程。”隨著時(shí)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(gè)別事件。德國(guó)亞琛大學(xué)的量子信息專(zhuān)家戴維·迪文森佐（David DiVincenzo）說(shuō)：“令人欣慰的是，這個(gè)理論與我們所看到的完全吻合，但這是一個(gè)微妙的理論，我們還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有完全理解它。”

德維萊特說(shuō)，在量子躍遷發(fā)生之前預(yù)測(cè)量子躍遷的可能性，使得它們?cè)谀撤N程度上類(lèi)似于火山爆發(fā)。每一次噴發(fā)都是不可預(yù)測(cè)的，但對(duì)一些大規(guī)模的噴發(fā)的預(yù)測(cè)可以通過(guò)觀察它們之前的異常平靜期來(lái)預(yù)測(cè)。他說(shuō)：“據(jù)我們所知，這種（量子躍遷的）前兆信號(hào)以前從未有人提出或測(cè)量過(guò)。”

德維萊特說(shuō)，發(fā)現(xiàn)量子躍遷預(yù)兆的能力可能會(huì)在量子傳感技術(shù)中找到應(yīng)用。例如，“在原子鐘測(cè)量中，人們希望將時(shí)鐘同步到原子的轉(zhuǎn)換頻率以作為參考。”他說(shuō)。但是，如果你可以在開(kāi)始時(shí)就檢測(cè)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(zhǎng)期來(lái)說(shuō)更精確。

迪文森佐認(rèn)為，這項(xiàng)工作也可能在量子計(jì)算的糾錯(cuò)中找到應(yīng)用，盡管他認(rèn)為這“相當(dāng)遙遠(yuǎn)”。迪文森佐說(shuō)，要達(dá)到處理這些錯(cuò)誤所需的控制水平，就需要對(duì)測(cè)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(gè)結(jié)果的真正價(jià)值并不在于任何實(shí)際的好處，而在于我們對(duì)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(shí)的。恰如其分地說(shuō)，薛定諤是對(duì)的也是錯(cuò)的。