捕捉“量子躍遷”

編譯 魏劉偉

一項新的實驗捕獲到一個處于躍遷中的量子系統——這曾被量子力學的先驅者認為是不可能的。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·米耶夫在實驗室低溫控制器前

當量子力學在一個世紀前作為理解原子尺度世界的理論被提出時，其中的一個關鍵概念曾是如此激進、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，因為人們普遍習慣把這個術語應用于一個大的變化，這忽略了兩個量子態之間的躍遷通常很小的事實，這正是為什么它們沒有被更早地注意到的原因。但真正的關鍵是它們是突然發生的，如此突然以至于許多量子力學的先驅者認為它們是瞬時的。

一項新的實驗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，我們會發現這實際上是一個連續的過程。”這項研究由德維萊特實驗室的研究生茲拉特科·米耶夫（Zlatko Minev）領導，2019年6月3日發表在《自然》雜志上。他的同行們對此非常興奮。“這真是一個了不起的實驗，真的很棒。”麻省理工學院的物理學家威廉·奧利弗（William Oliver）說。他沒有參與這項工作。

但是還沒完，通過高速監控系統，研究人員可以定位量子躍遷即將出現的一瞬間，在其發生的中途“捕獲”它，并將其反轉，把系統送回初始狀態。通過這種方式，量子力學的先驅們曾經認為的物理世界中不可避免的隨機性現在被證明是可以控制的。我們可以掌控量子了。

太隨機了

量子躍遷的瞬時性是20世紀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。他認為電子通過吸收或發射光量子——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射特定波長的光——比如說，許多銅鹽是藍色的，而鈉燈則是黃色的。

玻爾和海森堡在20世紀20年代開始發展關于這些量子現象的數學理論。海森堡的量子力學列舉了所有允許的量子態，并隱含地假定它們之間的躍遷是瞬時-不連續的。“瞬時量子躍遷的概念成為哥本哈根解釋中的一個基本概念。”科學史學家瑪拉·貝勒（Mara Beller）寫道。

量子力學的另一位先驅，奧地利物理學家薛定諤非常痛恨這個觀點。起初，他設計了一種替代海森堡關于離散量子態和它們之間的瞬時躍遷的數學方法。薛定諤的理論用被稱為波函數的類波實體來描述量子，它隨時間平穩、連續地變化，就像大海上的平緩起伏。現實世界中的事物不會在零時間內突然發生變化，薛定諤認為不連續的“量子躍遷”只是心靈的虛構。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，它會在一個隨機的時刻發生——沒有任何解釋可以說明為什么會發生在這個特殊的時刻。因此，這是一種沒有原因的結果，一個明顯的插入到自然界的心臟之中的隨機性的例子。薛定諤和他的密友阿爾伯特·愛因斯坦無法接受現實在最基本層面上的隨機性和不可預見性。根據德國物理學家馬克斯·玻恩的說法，這場爭論“與其說是物理學內部的問題，不如說是它與哲學和人類知識的關系問題”。換句話說，量子躍遷的實在性是關鍵所在。

量子躍遷并非物理學內部的問題，而是物理學與哲學和人類知識的一般關系之一。

——馬克斯·玻恩

不用看也能“看見”的觀察

為了進一步探索，我們需要看到量子躍遷。1986年，有三個研究小組報告說，量子躍遷發生在由電磁場懸浮于空間中的單個原子中。原子在“亮”態和“暗”態之間轉換，在“亮”態下，它們可以發射出光子；而“暗”態下，原子則不會在任意時刻發射出光子；它們在一種狀態或另一種狀態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中被觀察到了：從光子在量子態之間的轉換到固體物質中的原子在量子化磁態之間的躍遷。2007年，法國的一個研究小組發現了與“單個光子從出生到死亡”相對應的躍遷。

在這些實驗中，躍遷看起來確實是突然和隨機的——在監測量子系統時，沒有發現它們何時發生，也沒有拍下躍遷的細節照片。相比之下，耶魯大學團隊的裝置讓他們能夠預測何時會出現一個躍遷，然后進行放大檢查。實驗的關鍵是能夠只收集有關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境中。只有這樣，他們才能追蹤如此詳細的單個躍遷。

研究人員所使用的量子系統比原子要大得多，它由一種超導材料所制作的導線構成，有時被稱為“人造原子”，因為它具有類似于真實原子中電子態的離散量子能態。能態之間的躍遷可以通過吸收或發射光子來引起，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(基態)和能量激發態之間的躍遷。但他們無法直接監測這種轉變，因為對量子系統進行測量會破壞量子行為所依賴的波函數的相干性。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“崩潰”，這將使人工原子處于確定的一種或另一種狀態。薛定諤的貓就是這樣一個著名的例子，據說它被放置在一個相干的量子“疊加”中，它是活態和死態的“疊加”，但當觀察它時，它就塌縮為其中一種狀態。

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態的巧妙方法。系統可以通過吸收不同能量的光子從基態到達第二激發態。研究人員以一種只顯示系統是否處于第二種“亮”態的方式來探測這個系統，因為它是可以被觀察的。與此同時，研究人員實際上正在尋找量子躍遷的“暗”態，因為它仍然隱藏在直接觀察之下。

研究人員將超導電路放置在一個光學腔(一個適當波長的光子可以在其中反彈的腔)中，這樣，如果系統處于亮態，光在腔內散射的方式就會發生變化。每當亮態由于光子的發射而衰減時，探測器就會發出類似于蓋革計數器的“滴答”的信號。

奧利弗稱，這里的關鍵在于該測量可以不直接詢問系統的狀態就能夠提供有關的信息。實際上，它會詢問系統是否處于基態和暗態。這種模糊性對于在這兩種狀態之間躍遷時保持量子相干性至關重要。奧利弗說，在這方面，耶魯團隊使用的方案與量子計算機中用于糾錯的方案密切相關。在量子計算機中，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來實現的。

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。“事件的不發生與發生會產生一樣多的信息。”德維萊特說。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”。

事件的不發生可以帶來的信息和它的發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，顯然是隨機的。然后，在通常維持100微秒左右的周期后，滴答聲就會恢復。在那段寂靜的時間里，這個系統應該經歷了向暗態的過渡，因為這是唯一能防止在基態和亮態之間來回轉換的東西。

所以從“滴答”到“不滴答”狀態的轉換就是單個的量子躍遷，就像在早期關于被困原子的實驗中所看到的那樣。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好的預警——躍遷即將發生。”

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

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

研究小組發現，躍遷實際上是漸進的。這是因為，盡管直接觀察只能揭示系統處于一種或另一種狀態，但在量子躍遷過程中，系統處于這兩種狀態的疊加或混合狀態。隨著躍遷的進展，直接測量將越來越有可能產生最終狀態而不是初始狀態。這有點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。”

耶魯研究小組開發的技術揭示了量子躍遷過程中系統思維方式的變化。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和基態的相對權重。他們看到這些權重在幾微秒內逐漸變化。這相當快，但肯定不是瞬時的。

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

頓悟之光

“這項實驗表明，如果我們仔細觀察的話，量子躍遷確實不是瞬時的，”奧利弗說，“而是相干的過程。”隨著時間的推移，真實的物理事件發生了。

“躍遷”的漸進性正是由一種叫作量子軌跡理論的量子理論所預言的，它可以描述像這樣的個別事件。德國亞琛大學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，我們還遠遠沒有完全理解它。”

德維萊特說，在量子躍遷發生之前預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。每一次噴發都是不可預測的，但對一些大規模的噴發的預測可以通過觀察它們之前的異常平靜期來預測。他說：“據我們所知，這種（量子躍遷的）前兆信號以前從未有人提出或測量過。”

德維萊特說，發現量子躍遷預兆的能力可能會在量子傳感技術中找到應用。例如，“在原子鐘測量中，人們希望將時鐘同步到原子的轉換頻率以作為參考。”他說。但是，如果你可以在開始時就檢測到轉換即將發生，而不是等待完成，則同步可以更快，因此長期來說更精確。

迪文森佐認為，這項工作也可能在量子計算的糾錯中找到應用，盡管他認為這“相當遙遠”。迪文森佐說，要達到處理這些錯誤所需的控制水平，就需要對測量數據進行徹底的收集——就像粒子物理學中的數據密集型情況一樣。

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