張文卓:量子力學隨機性被推翻了?事情才沒那麼簡單

2020-12-13 觀察者網

（文/張文卓）

近日，一則名為「薛丁格的貓終於有救了，Nature 研究首次觀測到量子躍遷過程」的新聞報導刷屏。諸如「耶魯大學實驗推翻量子力學隨機性」「愛因斯坦又蒙對了」等等標題黨紛紛出現，仿佛戰無不勝的量子力學一夜之間陰溝翻船一樣，很多文青紛紛哀嘆宿命論又回來了。然而，事實真的如此？還是報導偏差歪曲了論文本意？

刷屏的新聞報導。圖片來源：百度搜索截圖

什麼是量子力學隨機性？

咱們先搞懂量子力學的隨機性說的是什麼，再看看這篇論文做了什麼。

根據數理雙修的大師馮諾依曼的總結，量子力學有兩個基本的過程，一個是按照薛丁格方程確定性地演化，另一個是因為測量導致的量子疊加態隨機塌縮。薛丁格方程是量子力學核心方程，它是確定性的，跟隨機性無關。那麼量子力學的隨機性只來自於後者，也就是來自於測量。

這個測量隨機性正是讓愛因斯坦最無法理解的地方，他用了「上帝不會擲骰子」這個比喻來反對測量隨機性，而薛丁格也假想了測量一隻貓的生死疊加態來反對過它。

薛丁格選貓作為實驗對象是不是因為貓愛鑽盒子……圖片來源：Unsplash

但是無數的實驗證實，去直接測量一個量子疊加態，它的結果就是隨機在其中一個本徵態上（概率為疊加態中每個本徵態的係數模平方），這就是量子力學最重要的測量問題。為了解決這個問題，誕生了量子力學多個詮釋，其中主流的三個詮釋為哥本哈根詮釋、多世界詮釋和一致歷史詮釋。

哥本哈根詮釋認為，測量會導致量子態塌縮，即量子態瞬間被破壞，隨機跌到一個本徵態上；多世界詮釋覺得哥本哈根詮釋太玄了，於是就搞了個更玄的，認為每一次測量就是世界的一次分裂，所有本徵態的結果都存在，只是互相完全獨立（正交），幹擾不到對方，我們只是隨機地在某一個世界當中；一致歷史詮釋引入了量子退相干過程，解決了從疊加態到經典概率分布的問題。但是在選擇哪個經典概率上，還是回到了哥本哈根詮釋和多世界詮釋的爭論。

從邏輯上看，多世界詮釋和一致歷史詮釋的結合對解釋測量問題似乎是最完美的，多個世界組成一個總的疊加態，即保留了「上帝視角」的確定性，又保留了單一世界視角的隨機性。但物理學是以實驗為準的科學，這些詮釋預言了同樣的物理結果，相互之間不可證偽，那麼物理意義就是等價的，所以學術圈還是主要採用哥本哈根詮釋，即用塌縮（collapse）這個詞代表測量量子態的隨機性。

耶魯大學的論文說了什麼？

那麼我們再看看耶魯大學這篇Nature論文[1]做了什麼。先鋪墊一個量子力學知識，那就是量子躍遷是一個量子疊加態完全按照薛丁格方程演化的確定性過程[2]，即在基態|G>上的概率幅按照薛丁格方程連續地轉移到激發態|E>上，再連續地轉移回來，形成一個振蕩（頻率稱為拉比頻率），它屬於馮諾依曼總結的第一類過程。

圖片來源：nature.com

這篇論文測的就是這樣一個確定性的量子躍遷，所以得到確定性結果毫無意外。文章的賣點在於怎樣不讓這個測量破壞掉原本的疊加態，或者怎樣讓量子躍遷不會因突如其來的測量而停止。這個也不是多麼神秘的技術，而是量子信息領域目前廣泛應用的「弱測量」方法。

圖片來源：Nature 570, 200–204 (2019)

我們來看這篇nature論文裡的實驗用到的能級圖，是一個三能級系統，|G>是基態，|D>是一個激發態，稱為暗態（不易受影響的態），|B>是亮態（易操作的態）。這個實驗用的是超導電路人工構建的三能級系統，信噪比相比真實的原子能級還要差很多。

實驗用到的弱測量技術，就是把原本基態|G>的粒子數（這個實驗用的是超導電流）分出一點點，讓它和|D>形成疊加態，同時|G>剩下的粒子數繼續和|B>疊加，這兩個疊加態（幾乎）是獨立的，（幾乎）不互相影響。例如通過光（微波）強控制兩個躍遷拉比頻率，就能讓概率幅在|B>接近1時，在|D>上也接近1。這時測量|G>和|B>的疊加態，會發現粒子數塌縮在了|B>上面。此時儘管|G>和|D>的疊加態沒塌縮，也能知道概率幅都在|D>上面，再測量|G>和|D>的疊加態結果就是粒子數塌縮在了|D>上。所以測量|G>和|B>的疊加態本身還是個引起隨機塌縮的測量，但這個測量對於|G>和|D>的疊加態來說卻不引起疊加態塌縮（僅有很微弱的改變），同時還能監視|G>和|D>的疊加態演化到什麼程度了，這就成為了相對|G>和|D>疊加態的弱測量。

如果這個三能級系統只有一個粒子，那麼塌縮在|B>上的粒子數為1時，塌縮在|D>和|G>上的粒子數為零。但這個三能級系統是用超導電流人工製備出來的，相當於有很多電子可用。當一些電子塌縮在|B>上之後，仍然有一些電子處於|D>和|G>的疊加態。所以多粒子系統也保證了這個弱測量實驗可以進行。這和冷原子實驗非常類似，即大量原子具備相同的能級系統，疊加態的概率可以反映在相對原子數上。

上帝依然擲骰子

用一句話總結，這篇nature論文裡用了實驗技巧去弱測量一個確定性過程，主動避開了對這個過程能導致隨機結果的測量，一切都符合量子力學預言，對量子力學的測量隨機性沒任何影響。所以愛因斯坦沒翻身，上帝依然擲骰子。

這篇nature論文只是又一次驗證了量子力學的正確，為什麼會引起這麼大的誤解？這裡我不得不吐槽一下。這與作者們在摘要和引言裡立的錯誤靶子脫不了干係。估計是為了製造大新聞，他們找到了玻爾在1913年提出的量子躍遷瞬時性的想法做靶子[3]，但這個想法早在1925年海森堡方程和1926年薛丁格方程提出（也就是量子力學正式建立）之後就被否定了，他們在論文裡也明確說了實驗其實驗證了薛丁格關於躍遷是連續確定演化的觀點。把玻爾搬出來，很可能是為了營造一個和愛因斯坦對立的效果，延續世紀論戰，多博取關注。但是在量子躍遷這個問題上，是玻爾最早的想法錯了，海森堡和薛丁格對了，不關愛因斯坦什麼事。

玻爾（左）和愛因斯坦（右）。圖片來源：Wikimedia Commons

這篇論文的英文報導[4]的作者是Phillip Ball，他儘管寫過很多優秀的科學新聞，但這次大概是碰到了知識盲點，整個報導寫的也是故弄玄虛，沒抓到重點，還把海森堡拉去陪玻爾一起給瞬時躍遷背鍋（不知道海森堡方程和薛丁格方程實質等價嗎？）。然後中文媒體再翻譯過來，其它自媒體再自由發揮一通，就變成了科學傳播的「車禍現場」。

筆者幾年前在丹麥Aarhus大學物理系做博士後時（Aarhus物理系大概一百年前是從哥本哈根大學物理系——即現在的玻爾研究所分出來的，這樣也算和玻爾扯上點淵源），也做過一個監視超冷原子相變的量子弱測量實驗，可不敢像耶魯這個團隊這樣立靶子吹牛，文章後來發的很普通的英國物理學會雜誌。量子技術既然瞄準的是第二次信息革命，未來的應用才決定其價值，而不應該沾染為了發頂級期刊而譁眾取寵的風氣。這樣做即使一時受寵，很快還是會被歷史埋沒。

參考文獻：

[1] Z. K. Minev, et. al., To catch and reverse a quantum jump mid-flight, Nature 570, 200–204 (2019)

[2]一般的高等量子力學教材中都有專門的章節講怎麼用含時薛丁格方程描述量子躍遷，在量子光學教材中有更細節的光與二能級原子相互作用的半經典模型，光學Bloch方程，全量子J-C模型等，無一例外都屬於含時薛丁格方程。

[3] N. Bohr, On the constitution of atoms and molecules. Part I. Binding of electrons by positive nuclei. Phil. Mag. 26, 1–25 (1913).

[4] https://www.quantamagazine.org/quantum-leaps-long-assumed-to-be-instantaneous-take-time-20190605/

（本文首發於果殼「我是科學家」公眾號）

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