薛定諤的貓有救了！物理學(xué)家通過新方法預(yù)測(cè)量子躍遷

據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，著名的“薛定諤的貓”是量子疊加性和不可預(yù)測(cè)性的象征，而耶魯大學(xué)的研究人員找到了一種能夠“捕獲”和“拯救”這只“貓”的方法，通過預(yù)測(cè)其跳躍動(dòng)作采取實(shí)時(shí)行動(dòng)，從而將其從厄運(yùn)中拯救出來。在研究過程中，他們推翻了量子物理學(xué)界多年來的基柱性教條。

這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)讓研究人員能夠建立一套提前預(yù)警系統(tǒng)，預(yù)測(cè)含有量子信息的人造原子即將發(fā)生的“跳躍”動(dòng)作。宣布此項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的報(bào)告發(fā)表在6月3日的在線版《自然》期刊上。

“薛定諤的貓”是一個(gè)著名悖論，闡釋了量子物理中“疊加”的概念（即相反的兩種狀態(tài)可以同時(shí)存在）和不可預(yù)測(cè)性。這個(gè)悖論是這樣的：一只貓被放在一個(gè)密封的盒子中，盒子里有一個(gè)放射源，還有一種毒藥。若放射性物質(zhì)有一個(gè)原子發(fā)生衰變，就會(huì)釋放毒藥。量子物理的疊加理論認(rèn)為，在有人打開這個(gè)盒子之前，其中的貓既是活的，又是死的，即處于兩種狀態(tài)的疊加態(tài)。一旦打開盒子、觀察到了貓的死活，其量子態(tài)就會(huì)立即改變，變成“死”或“活”中的一種。

量子躍遷是指，量子態(tài)被人觀察到時(shí)發(fā)生的離散（非連續(xù)）、隨機(jī)的變化。

此次實(shí)驗(yàn)在耶魯大學(xué)教授米歇爾·德沃雷特（Michel Devoret）的實(shí)驗(yàn)室中開展，由主要作者茲拉特科·米奈弗（Zlatko Minev）提出，首次對(duì)量子躍遷的真正運(yùn)作機(jī)制進(jìn)行了考察。而結(jié)果令人大吃一驚，與丹麥物理學(xué)家玻爾的著名理論背道而馳。該研究結(jié)果顯示，與之前認(rèn)為的不同，量子躍遷的發(fā)生既不突然、又不隨機(jī)。

對(duì)電子、分子、或含有量子信息的人造原子（又稱量子比特）等小物體來說，量子躍遷是指從一個(gè)離散的能態(tài)突然轉(zhuǎn)移到另一個(gè)能態(tài)。在研發(fā)量子計(jì)算機(jī)時(shí)，研究人員必須解決量子比特的躍遷問題，因?yàn)榱孔榆S遷代表著計(jì)算錯(cuò)誤。

深?yuàn)W難解的量子躍遷理論最早由玻爾于一個(gè)世紀(jì)前提出，但一直到上世紀(jì)80年代才在原子中被觀察到。

“我們每次對(duì)一個(gè)量子比特進(jìn)行測(cè)量，都會(huì)發(fā)生這種躍遷?！钡挛掷滋乇硎荆且敶髮W(xué)應(yīng)用物理和物理學(xué)教授和耶魯量子研究所成員，“量子躍遷從長(zhǎng)期來看，是無法進(jìn)行預(yù)測(cè)的?！?/p>

“盡管如此，”米奈弗補(bǔ)充道，“我們還是試試看，是否有可能對(duì)即將發(fā)生的躍遷發(fā)出預(yù)警信號(hào)?！?/p>

米奈弗指出，此次實(shí)驗(yàn)是受了奧克蘭大學(xué)教授、量子軌跡理論的先驅(qū)霍華德·卡邁克爾（Howard Carmichael）所做的一項(xiàng)理論預(yù)測(cè)的啟發(fā)。

除了其產(chǎn)生的巨大影響之外，此次發(fā)現(xiàn)還可能代表著，我們對(duì)量子信息的理解和控制取得了重大進(jìn)展。研究人員表示，可靠地管理量子數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)糾錯(cuò)是研發(fā)量子計(jì)算機(jī)過程中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

此次耶魯團(tuán)隊(duì)利用了一種特殊方法，對(duì)一個(gè)超導(dǎo)人造原子展開間接監(jiān)測(cè)，利用三臺(tái)微波發(fā)射器，對(duì)密封在一個(gè)用鋁制成的3D空腔中的原子進(jìn)行輻射。這種雙重間接監(jiān)測(cè)方法由米奈弗提出，讓研究人員能夠以從未有過的高效率觀察原子。

微波輻射能夠在人造原子被觀察到的同時(shí)、對(duì)其進(jìn)行激發(fā)，造成量子躍遷。而這些躍遷發(fā)射的微弱量子信號(hào)能夠被放大，不會(huì)因室溫造成損失。在此次實(shí)驗(yàn)中，這些信號(hào)可以得到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，讓研究人員能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)檢測(cè)光子（即由受微波激發(fā)的原子的振蕩態(tài)釋放出的光子）的突然消失。檢測(cè)光子的消失便是即將發(fā)生量子躍遷的預(yù)警信號(hào)。

“此次實(shí)驗(yàn)顯示，盡管受到了觀察，但量子躍遷的一致性有所增加。”德沃雷特指出。米奈弗也補(bǔ)充道：“利用這一點(diǎn)，我們不僅能及時(shí)捕捉到量子躍遷，還能逆轉(zhuǎn)它?！?/p>

研究人員表示，這一點(diǎn)非常關(guān)鍵。雖然從長(zhǎng)期來看，量子躍遷的發(fā)生顯得離散而隨機(jī)，但逆轉(zhuǎn)量子躍遷意味著，量子態(tài)的演變從部分程度上來說是一種確定性的、并不隨機(jī)的特性。量子躍遷的起點(diǎn)雖然隨機(jī)，但總是以同一種可以預(yù)測(cè)的方式發(fā)生。

“一個(gè)原子的量子躍遷有點(diǎn)類似火山爆發(fā)?！泵啄胃ブ赋?，“從長(zhǎng)期來看完全無法預(yù)測(cè)，但只要監(jiān)測(cè)方法得當(dāng)，我們肯定能探測(cè)到災(zāi)難即將發(fā)生的信號(hào)，并及時(shí)采取行動(dòng)?！?/p>

此次研究的其他共同作者還有耶魯大學(xué)的羅伯特·舍爾考夫（Robert Schoelkopf）、尚塔努·蒙德哈達(dá)（Shantanu Mundhada）、希亞姆·山卡爾（Shyam Shankar）和菲利普·萊因霍德（Philip Reinhold），奧克蘭大學(xué)的里卡多·古鐵雷斯·豪瑞吉（Ricardo Gutiérrez-Jáuregui），以及法國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)與自動(dòng)化研究所的瑪茲亞爾·米拉西密（Mazyar Mirrahimi）。此次研究由美國(guó)陸軍研究辦公室支持，是耶魯大學(xué)量子研究取得的最新進(jìn)展。耶魯大學(xué)的科學(xué)家們正在研發(fā)量子計(jì)算機(jī)的第一線奮斗，已經(jīng)在利用超導(dǎo)電路的量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域做出了一些開創(chuàng)性的工作。