量子躍遷:「無用」研究背後的玄機

2021-01-15 世界科學


上海的夏天，潮熱伴隨著鼓譟的蟬鳴，讓人心煩意亂。排山倒海般接踵而來的暑期會議令人沮喪，看不到靜心遠思而至達的盡頭。


心緒不寧之時，卻收到《世界科學》雜誌社的約稿，希望為其量子專刊寫篇卷首語，本能的第一反應就是委婉推辭。


可是，仔細閱讀雜誌社發來的量子專刊想要推送的文章內容，不由得會心一笑。也許是機緣巧合，看似「不經意」湊在一起的文章，讓我突然有了一種義不容辭的寫作衝動，迫切地希望與讀者分享文章背後的玄機，不為人知的故事，以及由此而觸發內心所湧動的感想。


量子力學自誕生以來，其數學形式，包括薛丁格方程本身都是精確可計算，並確定性地給出系統各種可能的本徵狀態。而歷史上引起長期爭論的焦點是有關以玻爾、海森堡為代表的哥本哈根學派的量子力學的統計詮釋規則。這一規則認為，量子力學對客觀世界的描述只能是統計性的，而不是確定性的，系統的客觀狀態應該是那些數學上允許的各種可能本徵態的統計疊加，並隱含地假定系統在這些態之間的量子躍遷是隨機且不連續的。 

這種觀點遭到了以愛因斯坦、薛丁格為代表的確定論者的強烈反對，引發了量子力學發展史上的哲學大辯論。


辯論的結果卻是哥本哈根學派佔了上風，其規則逐漸被證明是有效的。這也就導致了後來所謂工具主義者的倡議，擱置爭議，接受規則。今天的大多數量子物理學家應該都是工具主義者吧。


儘管如此，長期以來，科學界對哥本哈根學派的質疑從來沒有停止過。《世界科學》本期介紹的耶魯大學小組關於量子躍遷的研究，依然是這個問題某種意義上的延續。


隨著中國日新月異的發展，媒體與大眾從來就沒有像今天這樣熱情地追逐科學新聞，這對華夏子孫應該是一件值得慶幸的事。


然而，俗話說，外行看熱鬧，內行看門道。其實對於同行而言，了解科學研究本身隱藏的玄機與背後的故事，才更有思考與啟迪性。


就耶魯大學的研究，我更想藉此機會，談談其中的一位作者卡邁科（Howard Carmichael）的故事。


20世紀80年代末，我有幸成為量子光學奧克蘭學派創始人沃爾斯（Daniel F. Walls）教授的博士後，從而結識了卡邁科。用中國現在流行的稱謂，他是沃爾斯教授的大弟子，為人低調，不善言談，總是關注思考一些看似「無用」卻又深奧的難題。 


我認識他時，他就已經因揭示原子共振螢光的量子特性而聲名鵲起。自此之後，一直默默無聞。後偶爾聽過他一些學術報告，知道他在鼓搗一種稱為「量子軌跡」的方法，並一弄就是十幾年，還由Springer出版社出版了一部相關的研究專著。


我再次見到卡邁科，是回國多年後的事。與國家自然科學基金委學術代表團訪問紐西蘭，他是奧克蘭大學負責接待的人。沒想到的是，這位仁兄見到我們時，只是興奮地在黑板前手舞足蹈地介紹他的「量子軌跡」的研究，似乎站在他面前的，不是遠道而來的訪客，而是聽他講解的學生，甚至有關訪問行程的安排都被丟在了九霄雲外，讓我們隨行的領導尷尬不已。


此次訪問一別，也就再沒有卡邁科的消息。直到不久前，看到耶魯大學「量子躍遷」的研究文章，發現他的名字赫然在列，內心不禁有點莫名的感慨。


表面上看，他並不是中國學術界大為推崇的文章第一作者或通訊作者，但跨過時間流逝的長河，作為了解他的學術同門，浮現在我眼前的是一個純粹學者幾十年執著探索與追求真理的身影。儘管「量子軌跡」理論本身仍然是玄妙的，但卡邁科在這項研究中的理論指導性貢獻是毋庸置疑的。


在泛量子浪潮的當下，這項研究背後的玄機與故事，有著意味深長的警示。

人類對量子本質的認識，仍然還在朦朧之中。

自媒體上成天吆喝的「量子技術」，不過是夏日清晨天邊的一抹彩霞，美麗卻依然遙遠。

在弘揚文化自信的今天，我們更要冷靜地推動文化理性，讓理性的光輝照亮中華大地，讓一批智者能安靜地思考，創慧性地沉澱。

不只是狂熱地一味追逐所謂的「有用」，而是要在科學與理性地探索「無用」的研究中，揭示真理的靈性，積聚創造的力量，開拓「無用」之大用的中華科學創新之路。 


最後，借用屈原的詩句作為結束：路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索。


想了解更多細節？請參見《世界科學》雜誌2019年第8期。[訂閱連結：世界科學（1年共12期）]

 

卷首語  PREFACE

量子躍遷 :「無用」研究背後的玄機


專稿  FEATURE

捕捉「量子躍遷」

美國國家量子倡議：從法案到行動


天文學 ASTRONOMY

太陽風暴前的平靜


生命科學  BIOSCIENCE

量子生物學或有助於破解生命中的最大謎題

微調可使 CRISPR 準確度提高 50 倍

生生不息的神經元


醫學與健康  HEALTH

抗癌新武器：經編程的細菌部隊

人類器官培育緩步前行


地球科學 GEOSCIENCE

北極到底怎麼了？


考古學 ARCHEOLOGY

菲律賓洞穴發現古老人類物種


計算科學  COMPUTING SCIENCE

徹底改變電力世界的數字斷路器


人工智慧 ARTIFICIAL INTELLIGENCE

DARPA 布局腦機接口技術

機器人時代的失業是誰之過？


大家•科技前沿  MASTERS

大纖維與編材製造：一場基於纖維材料的工業革命


今日啟明星  CAREERS

科研路漫漫，且行且思

——小記上海矽酸鹽研究所胡萍副研究員


智庫觀察  THINK TANKS

追求投資回報，釋放美國創新


創新啟示錄 INNOVATION  

阿波羅計劃的科學遺產


科學家訪談 INTERVIEW

人類世界 2050 年毀滅的概率：49%


科技政策 POLICY

建立循證政策的基礎


科學史專欄  COLUMN

運 10 的光榮與夢想


書評  BOOK REVIEW

一個數學家的成長史


科苑  CULTURE

系外世界命名召集令


微科幻  SCIENCE FICTION

身份危機


科學人物  BIOGRAPHY

默裡•蓋爾曼（1929—2019）


相關焦點

  • 耶魯科學家驗證量子躍遷確屬連續過程,成功開發量子躍遷預測機制
    在研究中，研究人員通過特製的高速監測系統，成功捕捉到了量子躍遷將要發生的起始時間，並以此在量子躍遷進行到一半的時候人為逆轉量子態的轉換過程，使系統恢復到其初始態，實現了對此前被認為是「不可避免且完全隨機」的量子態轉換過程的量化操控。圖丨 量子躍遷是一個極快的漸進過程。
  • 耶魯科學家驗證量子躍遷確屬連續過程,並成功開發量子躍遷預測機制
    在研究中，研究人員通過特製的高速監測系統，成功捕捉到了量子躍遷將要發生的起始時間，並以此在量子躍遷進行到一半的時候人為逆轉量子態的轉換過程，使系統恢復到其初始態，實現了對此前被認為是「不可避免且完全隨機」的量子態轉換過程的量化操控。圖丨 量子躍遷是一個極快的漸進過程。
  • 薛丁格的貓終於有救了:Nature 研究首次觀測到量子躍遷過程
    ▲耶魯大學最新發表在 Nature 上的一項研究表明，我們能夠計算出某個時間量子躍遷發生的概率，從而預測「薛丁格的貓」的命運。實驗首次捕捉到了躍遷中的量子系統，這意味著量子躍遷並非玻爾和海森堡所認為的完全隨機、瞬時發生的過程，而是更符合薛丁格的波函數理論。
  • 顛覆物理學基本認知:量子躍遷可以被預測了
    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。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。
  • Nature研究首次觀察到量子躍遷,意味顛覆了不確定性原理?
    第一部分：前言：1.1、摘露Nature研究的報導耶魯大學最新發表在Nature上的一項研究表明：可以觀察和計算出某個時間量子躍遷發生的概率，從而預測「薛丁格的貓」的命運。實驗首次捕捉到了躍遷中的量子系統，這意味著量子躍遷並非玻爾和海森堡所認為的完全隨機、瞬時發生的過程，而是更符合薛丁格的波函數理論。上世紀 20 年代中期，物理學家玻爾、海森堡等人建立了量子理論，而量子躍遷的瞬時性正是其中的核心支柱，這套理論被稱為哥本哈根詮釋。
  • 顛覆量子物理學認知!科學家成功預測了測不準的「量子躍遷」現象
    不過，一項新發表的研究中，耶魯大學科學家團隊基本上摧毀了這實驗中心的前提，這突破性的研究可以終於讓研究員開發出有用的量子電腦。薛丁格的貓可能是從未活著過或從未死過最有名的貓。在這思想實驗中，貓與一小塊放射性物質被密封在一個盒子中，放射性物質在一小時內可能會或可能不會失去一個原子而衰變，這兩種可能性同樣可能，如果原子衰變，盒子的瓶子將釋放出毒藥。
  • 「量子躍遷」通俗解釋:它的過去、現在和將來
    自從量子力學開始以來，就量子力學怪異而又成功的預測如何解釋，引起了激烈的辯論。這場辯論的核心和起源是量子躍遷：量子對象看起來如奇蹟般的瞬時間跳躍變遷。量子躍遷是量子力學的基礎概念之一，這是由於原子中的電子從一個軌道或一個能級隨機瞬間地跳到另一軌道或一個能級，而不會佔據中間的空間。
  • 薛丁格的貓有救了:物理學家通過新方法預測量子躍遷
    此次實驗在耶魯大學教授米歇爾·德沃雷特（Michel Devoret）的實驗室中開展，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作機制進行了考察。而結果令人大吃一驚，與丹麥物理學家玻爾的著名理論背道而馳。該研究結果顯示，與之前認為的不同，量子躍遷的發生既不突然、又不隨機。
  • 耶魯大學觀察到量子躍遷動搖了哥本哈根詮釋?量子躍遷本質探索
    1、回顧部分：1.1、相關報導摘錄：耶魯大學最新發表在Nature上的一項研究表明，我們能夠計算出某個時間量子躍遷發生的概率。實驗首次捕捉到了躍遷中的量子系統，這意味著量子躍遷並非哥本哈根詮釋所認為的完全隨機、瞬時發生的過程，而是更符合薛丁格的波函數理論。實驗的意義還遠不止於此。研究人員利用高速檢測系統，成功標記出量子躍遷即將出現的時候，在半路「抓住」它，然後再逆轉，將系統恢復到初始狀態。
  • 量子力學被推翻了？量子躍遷需要時間嗎？來西瓜視頻了解吧
    2019年，一項由耶魯大學主導的新研究表明，量子躍遷其實是一個如快放電影般的連續過程，而不是人們此前所想的那種「瞬間發生」的非連續事件。然而在此實驗中，研究人員通過特製的高速監測系統，成功捕捉到了量子躍遷將要發生的起始時間，並以此在量子躍遷進行到一半的時候人為逆轉量子態的轉換過程，使系統恢復到其初始態，實現了對此前被認為是「不可避免且完全隨機」的量子態轉換過程的量化操控。有人說耶魯大學最新報告顯示量子力學的理論大廈開始坍塌，然而量子力學被推翻了嗎？很可惜沒有。量子力學的不確定性原理被推翻了嗎？很可惜也沒有。
  • 對量子躍遷的解釋
    那麼如何理解量子躍遷。我們知道原子由兩部分組成。即原子核和核外電子。核外電子在外層空間作環繞運動。由於物體的運動遵循德布羅意波。特別是速度大的物體其振動更加大。當原子受到外界加熱時，電子云運動加劇，電子運動速度變大，電子向高能級躍遷。同時電子對介質碰撞的頻率和速度加大。原子先是發熱，而後發光。至於光子的頻率由電子碰撞時的狀態和介質自身質量相關。
  • 變不可能為可能:通過經典化探測量子躍遷過程_騰訊新聞
    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。
  • 電子躍遷,是電子的量子糾纏運動嗎?
    ，沒有什麼量子糾纏。他既不是「速度太快」，也不是「量子糾纏」。而是玻爾提出的一種為解釋氫光普形成的原子核與電子組合成的原子模型。更多知道請點擊「關注」沈大哥。電子躍遷，是電子當粒子看的運動描述，量子糾纏，從電子而言，本質上是與電子的波動性有關的運動描述。
  • 實驗捕捉到了一個躍遷中的量子—量子力學的創始人認為這不可能
    通過製作一種量子躍遷的高速電影，該作品揭示了這個過程就像一個雪人在陽光下融化一樣漸進。耶魯大學的Michel Devoret說:「如果我們能夠快速有效地測量量子躍進，這實際上是一個持續的過程。」這項研究由德沃雷特實驗室的研究生茲拉特科米內夫牽頭，於周一發表在《自然》雜誌上。同事們已經很興奮了。
  • 102思維模型：量子思維一在糾纏中躍遷
    ，標誌著中國已經躋身於國際一流的量子信息研究行列，在量子通信技術方面也走在了世界前列。2020年9月5日的西湖大學公開課上，中國科學技術大學常務副校長潘建偉教授表示，他帶領的研究團隊在光量子計算機方面取得了重大突破，其性能超過谷歌53比特量子計算機的100萬倍。
  • 杜絕理論與公式,用最通俗的語言講一講:深奧的量子躍遷是什麼?
    大家好，歡迎收看量子科普第131期，今天和大家聊一聊量子力學中的量子躍遷。：在微觀量子世界，深奧的量子躍遷究竟是什麼？關於量子躍遷，量子力學給出的定義是：微觀狀態發生跳躍式變化的過程。電子發生的量子躍遷就是我們生活中最常見的例子。
  • 李同罡:躍遷和裂變
    李同罡躍遷和裂變李同罡《白浪情》群友這裡有兩本書，《躍遷》和《裂變》，就在書架上擺放著。躍遷和裂變的原始概念，源於原子物理學和量子物理學。原子由原子核和繞核旋轉的外圍電子組成，原子包含核內粒子(質子和中子)核外電子層，這些微觀粒子通稱為量子。之一：躍遷(transition)是量子躍遷的簡稱。
  • 新研究打破傳統量子理論認知,薛丁格貓可以死而復活?
    耶魯大學的新研究稱捕捉到量子躍遷狀態即將發生的時間點，如果即時行動，或許可以避免「薛丁格貓」出現死亡的結果。這份研究看起來完全打破了傳統量子理論的認知。薛丁格貓處於一種又活又死的疊加態的示意圖。傳統理論稱量子躍遷是瞬間發生，這份研究卻能實時監控躍遷的過程，並在即將發生的時間點發出預警;傳統理論稱量子躍遷結果是隨機不可預測的，這份研究卻稱其結果具有「確定性」。「薛丁格貓」(Schrodinger’s cat)是一個用於描述量子疊加狀態的著名思想實驗。
  • 聲學使電子躍遷煥然一新
    這種方法使團隊能夠控制電子自旋躍遷（也稱為自旋共振），而通過傳統的磁行為則無法實現。 這一發現對任何希望構建用於移動導航設備中的量子傳感器的人來說都是福音。但是，此類設備仍需要磁場來控制磁場，從而需要龐大的磁性天線來驅動某些自旋躍遷。 現在，Fuchs的小組已經表明，這些過渡可以完全由聲學驅動。
  • 【專題】氫原子能級躍遷
    從低能級到高能級躍遷吸收能量（吸收光子或被實物粒子撞擊），從高能級到低能級躍遷放出能量（輻射光子），吸收或放出能量值等於能極差②氫原子向高能級躍遷，吸收光子時，光子能量必須正好等於能極差，如果光子能量大於能極差，則不發生躍遷（啥都不發生）；氫原子向高能級躍遷，如被實物粒子撞擊（如電子或α粒子轟擊），則粒子能量大於能極差即可③氫原子電離時，無論是吸收光子還是被粒子撞擊，只要能量大於電離所需能量值即可