量子力學(xué)理論的標(biāo)準(zhǔn)解釋認(rèn)為，量子場(chǎng)內(nèi)的變化不可預(yù)測(cè)且是瞬時(shí)的。在難以觀測(cè)的微觀世界里，闡明量子躍遷的性質(zhì)，一直是困擾物理學(xué)家的重要難題。

1986年，研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)首次證實(shí)量子躍遷是一種能被觀測(cè)和研究的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。從那時(shí)起，科學(xué)家借助不斷發(fā)展的技術(shù)，對(duì)這種神秘現(xiàn)象進(jìn)行了更深入的觀察。2019年的一項(xiàng)研究顯示，量子躍遷的過(guò)程可以被預(yù)測(cè)，且開始后可以被阻斷。近期，一項(xiàng)新的理論研究更深入挖掘了量子躍遷過(guò)程，以及它何時(shí)會(huì)發(fā)生。研究顯示，這個(gè)看上去簡(jiǎn)單和基礎(chǔ)的現(xiàn)象，實(shí)際上十分復(fù)雜。

預(yù)測(cè)量子躍遷

美國(guó)耶魯大學(xué)研究人員通過(guò)一種干擾度最小的裝置來(lái)監(jiān)測(cè)量子躍遷進(jìn)程。每一次躍遷都發(fā)生在一個(gè)超導(dǎo)量子比特的兩個(gè)能態(tài)之間，這個(gè)小循環(huán)可用于模擬原子中離散量子能態(tài)的超導(dǎo)微環(huán)路。研究人員測(cè)量了低能態(tài)系統(tǒng)中量子比特的“附加活動(dòng)”——可被觀測(cè)設(shè)備捕捉但不會(huì)影響量子系統(tǒng)的運(yùn)行。

研究中的“附加活動(dòng)”是一種監(jiān)測(cè)設(shè)備所捕捉的、由系統(tǒng)散發(fā)的光子信號(hào)，這表明光子未被系統(tǒng)吸收、躍遷尚未發(fā)生。這種方式首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)量子躍遷的間接監(jiān)測(cè)，揭示了一個(gè)重要的性質(zhì)：在“附加活動(dòng)”中，量子向高能態(tài)躍遷之前會(huì)有一個(gè)停頓。而科學(xué)家可以通過(guò)這種停頓預(yù)測(cè)甚至阻止量子躍遷。

躍遷過(guò)程由系統(tǒng)低能態(tài)開始也稱為基態(tài)；當(dāng)躍遷至系統(tǒng)高能態(tài)時(shí)，也稱為激發(fā)態(tài)，隨后躍遷路徑轉(zhuǎn)向，再次回到基態(tài)。文章作者Kyrylo Snizhko是德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院的一名博士后學(xué)者，他表示，模擬實(shí)驗(yàn)顯示，在這個(gè)可間接預(yù)測(cè)或干擾量子躍遷中，一定存在一個(gè)不可捕捉的組分。

具體來(lái)說(shuō)，量子躍遷從激發(fā)態(tài)向基態(tài)的回落過(guò)程，并不總是平滑和可預(yù)測(cè)的，這就是作者所描述的“不可捕捉”的組分。研究指出，觀測(cè)設(shè)備與受測(cè)系統(tǒng)的“連接度”，對(duì)系統(tǒng)躍遷有直接影響。在這一過(guò)程中，量子躍遷由觀測(cè)的時(shí)間尺度而非躍遷過(guò)程定義。觀測(cè)設(shè)備和量子系統(tǒng)的連接可能很弱，在這種情況下，通過(guò)信號(hào)的暫停能預(yù)測(cè)量子躍遷。

量子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變通過(guò)基態(tài)和激發(fā)態(tài)的混合實(shí)現(xiàn)，這稱為量子系統(tǒng)的疊加態(tài)。然而，在觀測(cè)設(shè)備和系統(tǒng)的聯(lián)系超過(guò)一定閾值時(shí)，這種系統(tǒng)疊加態(tài)就會(huì)趨向某一個(gè)能值，并保持相對(duì)穩(wěn)定，直至再次突然回到基態(tài)。論文的共同作者Parveen Kumar解釋道，這意味著，即使我們一開始成功預(yù)測(cè)了量子躍遷發(fā)生，但無(wú)法避免會(huì)再次“跟丟”系統(tǒng)。

而即使在躍遷可預(yù)測(cè)的期間，也會(huì)存在一些差異。Snizhko表示，這些過(guò)程中還包含著一種不可預(yù)測(cè)的組分?？刹蹲降牧孔榆S遷通常具有一個(gè)處在基態(tài)和激發(fā)態(tài)的疊加態(tài)上的躍遷“軌跡”，但整體的躍遷軌跡并沒(méi)有明確的方向或終點(diǎn)。

量子物理正在坍縮

Zlatko Minev是微軟托馬斯沃森研究中心的研究員，也是這項(xiàng)耶魯大學(xué)研究的第一作者。他表示這項(xiàng)新的理論研究“在以量子比特作為參數(shù)的實(shí)驗(yàn)條件下，描繪闡述了一個(gè)簡(jiǎn)單清晰的量子躍遷模式”。他認(rèn)為，這項(xiàng)研究與先前的耶魯實(shí)驗(yàn)互相參照，顯示“相比于我們之前的認(rèn)識(shí)，量子躍遷軌跡的離散性、隨機(jī)性和可預(yù)測(cè)性還有待更廣闊而充分的研究?！?/p>

具體而言，耶魯大學(xué)進(jìn)行的研究首次揭示了量子躍遷的微妙行為——系統(tǒng)從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷能被預(yù)測(cè)，表明量子世界中部分是可以預(yù)測(cè)的。這在此前曾被認(rèn)為是不可能的。當(dāng)Minev首次與組內(nèi)的其他研究者討論預(yù)測(cè)量子躍遷的可行性時(shí)，受到了一位同事激烈的回?fù)簦骸败S遷軌跡如果能預(yù)測(cè)，量子物理界就要坍縮了！”

“我們的實(shí)驗(yàn)最終成功了，并且推斷出量子躍遷整體路徑是隨機(jī)和離散的。然而，在更精密的時(shí)間尺度上，每一步躍遷都是連續(xù)而逐步開展的。這二者盡管看似矛盾，卻是量子躍遷中同時(shí)存在?！?Minev解釋道。

而這一躍遷過(guò)程能應(yīng)用到整個(gè)物質(zhì)世界嗎，如預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)室外的原子？Kumar還不確定，而很大部分原因在于研究條件上的過(guò)多限制。Kumar說(shuō)：“推廣這項(xiàng)研究當(dāng)然很令人興奮。”如果未來(lái)不同的觀測(cè)設(shè)備都得到了類似結(jié)果，那么這種量子行為將能解釋量子世界的更多基本性質(zhì)：在量子世界中，事件在某種意義上同時(shí)具有隨機(jī)性和可預(yù)測(cè)性、離散性和連續(xù)性。

量子躍遷是自然界中最基本、最原始的物理問(wèn)題，但一直很難被真正觀測(cè)到。直到最新的科技進(jìn)展扭轉(zhuǎn)了這一局勢(shì)。美國(guó)華盛頓大學(xué)的助理教授Kater Murch表示：“耶魯大學(xué)的實(shí)驗(yàn)啟發(fā)了這項(xiàng)理論研究，為解決這個(gè)數(shù)十年的物理難題打開了全新的局面。在我心目中，實(shí)驗(yàn)與理論的相輔相成，最終轉(zhuǎn)變我們這些理論物理學(xué)家對(duì)世界的認(rèn)知，為日后的新發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)?！?/p>

（韓佳桐翻譯，據(jù)《環(huán)球科學(xué)》）