圖片來源：Pixabay
亞原子粒子在離散能態之間的轉換稱為量子躍遷，這是自然界中最基礎的物理過程之一。最近的研究表明，躍遷過程雖然十分複雜，但有時是可以被預測的。
撰文 | Eleni Petrakou
翻譯 | 韓佳桐
審校 | 石雲雷 王昱
量子力學（quantum mechanics）——這一理論旨於在極微觀的角度上描述宇宙中的物理學，其著名的特徵是「反常識」。這一理論的標準解釋認為量子場內的變化不可預測且是瞬時的。試想一下，如果肉眼可見的宏觀世界和量子場中的原子以相同的方式運作，一團麵糊就能立刻變成一個香噴噴的蛋糕，而無需其中間過程。這樣的好事當然不會在日常生活中發生，在難以觀測的微觀世界裡，闡明「量子躍遷」（quantum jump）的性質，一直是困擾物理學家的重要難題。
近些年來，由於技術的進步，物理學家能在精密設計的實驗設備中，更近一步觀察這個過程。 最為基礎性的突破或出現在1986年（目前對這一觀測仍存在爭議），研究人員通過實驗首次證實「量子躍遷」是一種能被觀測和研究的實驗現象。從那時起，科學家藉助不斷發展的技術，對這種神秘現象進行了更深入的觀察。2019年的一項研究顯示，量子躍遷的過程可以被預測，且開始後可以被阻斷。這一發現顛覆了傳統的量子躍遷觀念。
預測量子躍遷
研究人員在耶魯大學實施了這項實驗，他們通過一種幹擾度最小的裝置來監測量子躍遷進程。每一次躍遷都發生在一個超導量子比特（superconducting qubit，量子計算機的基本單位）的兩個能態之間，這個小循環可用於模擬原子中離散量子能態的超導微環路。研究人員測量了低能態系統中量子比特的「附加活動」（side activity）——可被觀測設備捕捉但不會影響量子系統的運行。
圖片來源：Pixabay
研究中的「附加活動」是一種「咔噠」聲，是監測設備所捕捉的、由系統散發的光子信號，這表明光子未被系統吸收、躍遷尚未發生。這就好比在隔壁房間通過聽關鍵詞的方式，推測在播的電視節目。這種方式首次實現了對量子躍遷的間接監測，避免了量子實驗中的一個主要問題——直接觀察會破壞量子相干性（量子相干性使整個系統處於類似薛丁格的「貓」一樣的疊加態，而直接觀測會導致退相干效應，即打開箱子的瞬間，貓要麼活著要麼死去）。這些測量揭示了一個重要的性質：在「附加活動」中，量子向高能態躍遷之前會有一個停頓。而科學家可以通過這種停頓預測甚至阻止量子躍遷。
近期，一項新的理論研究更深入挖掘了量子躍遷過程，以及它何時會發生。研究顯示，這個看上去簡單和基礎的現象，實際上十分複雜。
這項新研究發表於《物理評論研究》。研究人員對量子躍遷全過程進行了逐步的回溯建模。躍遷過程由系統低能態（low-energy state）開始也稱為基態（ground state）；當躍遷至系統高能態時，也稱為激發態（excited state），隨後躍遷路徑轉向，再次回到基態。文章作者Kyrylo Snizhko是德國卡爾斯魯厄理工學院的一名博士後學者，他在之前工作的以色列魏茨曼科學研究所完成了這項研究。他表示，模擬實驗顯示，在這個可間接預測或幹擾量子躍遷中，一定存在一個不可或無法捕捉的組分。
具體來說，量子躍遷從激發態向基態的回落過程，並不總是平滑和可預測的，這就是作者所描述的「不可捕捉」的組分。研究指出，觀測設備與受測系統的「連接度」，對系統躍遷有直接影響。在這一過程中，量子躍遷由觀測的時間尺度而非躍遷過程定義。觀測設備和量子系統的連接可能很弱，正如耶魯大學進行的實驗，在這種情況下，通過「咔噠」信號的暫停能預測量子躍遷。
量子系統的轉變通過基態和激發態的混合實現，這稱為量子系統的疊加態。然而，在觀測設備和系統的聯繫超過一定閾值時，這種系統疊加態就會趨向某一個能值，並保持相對穩定，直至再次突然回到基態。在這種特殊情況下，「量子躍遷的進程就很難被預測或中途逆轉，」論文的共同作者Parveen Kumar解釋道，他是魏茨曼科學研究所的博士後。這意味著，即使我們一開始成功預測了量子躍遷發生，但無法避免會再次「跟丟」系統。
而即使在躍遷可預測的期間，也會存在一些差異。Snizhko表示，這些過程中還包含著一種不可預測的組分。可捕捉的量子躍遷通常具有一個處在基態和激發態的疊加態上的躍遷「軌跡」，但整體的躍遷軌跡並沒有明確的方向或終點。「量子每達到軌跡上的一個節點，躍遷有可能繼續，也有可能回到基態」，Snizhko解釋道，「甚至躍遷剛開始就緊急中斷。躍遷軌跡是確定性的，但是誰也無法預測系統是否會完成躍遷過程。」
耶魯大學的研究中也出現了同樣的現象。這些研究人員稱這些能預測的量子躍遷是「茫茫未知的大海上的小島」。論文的通訊作者之一、哥倫比亞大學博士後Ricardo Gutiérrez-Jáuregui說：「這項研究發現當光子信號消失的時刻，整個系統會按照預期的途徑達到激發態。這一過程十分迅速，但不是瞬時的。這意味著我們的設備仍舊有機會干擾躍遷軌跡。」
量子物理正在坍縮
Zlatko Minev是微軟託馬斯沃森研究中心的研究員，也是這項耶魯大學研究的第一作者。他表示這項新的理論研究「在以量子比特作為參數的實驗條件下，描繪闡述了一個簡單清晰的量子躍遷模式」。他認為，這項研究與先前的耶魯實驗互相參照，顯示「相比於我們之前的認識，量子躍遷軌跡的離散性、隨機性和可預測性還有待更廣闊而充分的研究。」
具體而言，耶魯大學進行的研究首次揭示了量子躍遷的微妙行為——系統從基態到激發態的躍遷能被預測，表明量子世界中部分是可以預測的。這在此前曾被認為是不可能的。當Minev首次與組內的其他研究者討論預測量子躍遷的可行性時，受到了一位同事激烈的回擊：「躍遷軌跡如果能預測，量子物理界就要坍縮了！」
圖片來源：Pixabay
「我們的實驗最終成功了，並且推斷出量子躍遷整體路徑是隨機和離散的。然而，在更精密的時間尺度上，每一步躍遷都是連續而逐步開展的。這二者儘管看似矛盾，卻在量子躍遷中同時存在。」 Minev解釋道。
而這一躍遷過程能應用到整個物質世界嗎，如預測實驗室外的原子？Kumar還不確定，而很大部分原因在於研究條件上的過多限制。Kumar說：「推廣這項研究當然很令人興奮」。如果未來不同的觀測設備都得到了類似結果，那麼這種量子行為將能解釋量子世界的更多基本性質：在量子世界中，事件在某種意義上同時具有隨機性和可預測性、離散性和連續性。
與此同時，這項研究的成果或許很快就能得到進一步驗證。據魏茨曼研究所的Serge Rosenblum（並未參與上述的研究）說，這些效應能通過目前最先進的超導量子系統觀測，而魏茨曼研究所的量子比特實驗室正積極推進相關實驗。「我很驚訝，像量子比特這樣簡單的系統竟然能給予我們如此之多的驚喜。」Rosenblum補充道。
量子躍遷是自然界中最基本、最原始的物理問題，但一直很難被真正觀測到。直到最新的科技進展扭轉了這一局勢。華盛頓大學的助理教授Kater Murch（未參加其中上述的研究）表示：「耶魯大學的實驗啟發了這項理論研究，為解決這個數十年的物理難題打開了全新的局面。在我心目中，實驗與理論的相輔相成，最終轉變我們這些理論物理學家對世界的認知，為日後的新發現奠定了基礎。」
然而這個量子物理學的難題，並不會立刻消散。正如Snizhko所說：「我並不認為量子躍遷會在短期內得到完美解釋，畢竟它是量子理論中的一個基本問題。然而，在不懈的研究和嘗試中，我們或可以做出一些具有實際意義的發現。」
原文連結：
https://www.scientificamerican.com/article/new-views-of-quantum-jumps-challenge-core-tenets-of-physics/
本文由微信公眾號「環球科學」（ID：huanqiukexue）授權轉載
轉載請先聯繫newmedia@huanqiukexue.com
編輯：aloysius
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
10.