一项新的实验捕获到一个处于跃迁中的量子系统——这曾被量子力学的先驱者认为是不可能的。请看菲利普·鲍尔（Philip Ball）为此带来的报道。

米歇尔·德维莱特（左）和兹拉特科·米耶夫在实验室低温控制器前

当量子力学在一个世纪前作为理解原子尺度世界的理论被提出时，其中的一个关键概念曾是如此激进、大胆和违反直觉，以至于它变成了流行语言，那就是：量子跃迁。纯粹主义者可能会提出反对，因为人们普遍习惯把这个术语应用于一个大的变化，这忽略了两个量子态之间的跃迁通常很小的事实，这正是为什么它们没有被更早地注意到的原因。但真正的关键是它们是突然发生的，如此突然以至于许多量子力学的先驱者认为它们是瞬时的。

一项新的实验表明它们不是瞬时的。通过高速影片，使得量子跃迁的过程就像太阳下雪人融化的过程一样缓慢。耶鲁大学的米歇尔·德维莱特（Michel Devoret）说：“如果我们能够快速有效地测量量子跃迁，我们会发现这实际上是一个连续的过程。”这项研究由德维莱特实验室的研究生兹拉特科·米耶夫（Zlatko Minev）领导，2019年6月3日发表在《自然》杂志上。他的同行们对此非常兴奋。“这真是一个了不起的实验，真的很棒。”麻省理工学院的物理学家威廉·奥利弗（William Oliver）说。他没有参与这项工作。

但是还没完，通过高速监控系统，研究人员可以定位量子跃迁即将出现的一瞬间，在其发生的中途“捕获”它，并将其反转，把系统送回初始状态。通过这种方式，量子力学的先驱们曾经认为的物理世界中不可避免的随机性现在被证明是可以控制的。我们可以掌控量子了。

太随机了

量子跃迁的瞬时性是20世纪20年代中期玻尔、海森堡和他们的同事所提出的量子理论的中心支柱。玻尔早先曾说过，原子中电子的能量状态是“量子化”的：只有某些能量是可用的，而处于两者之间的能量是被禁止的。他认为电子通过吸收或发射光量子——即光子——来改变能量，这些粒子的能量与允许的电子态之间的间隙相匹配。这就解释了为什么原子和分子会吸收和发射特定波长的光——比如说，许多铜盐是蓝色的，而钠灯则是黄色的。

玻尔和海森堡在20世纪20年代开始发展关于这些量子现象的数学理论。海森堡的量子力学列举了所有允许的量子态，并隐含地假定它们之间的跃迁是瞬时﹣不连续的。“瞬时量子跃迁的概念成为哥本哈根解释中的一个基本概念。”科学史学家玛拉·贝勒（Mara Beller）写道。

量子力学的另一位先驱，奥地利物理学家薛定谔非常痛恨这个观点。起初，他设计了一种替代海森堡关于离散量子态和它们之间的瞬时跃迁的数学方法。薛定谔的理论用被称为波函数的类波实体来描述量子，它随时间平稳、连续地变化，就像大海上的平缓起伏。现实世界中的事物不会在零时间内突然发生变化，薛定谔认为不连续的“量子跃迁”只是心灵的虚构。在1952年的一篇题为《量子跃迁存在吗？》的论文中，薛定谔坚定地回答道：“不。”他的恼怒就像他所说的“量子怪胎”一样明显。

这场争论不仅仅是关于薛定谔对瞬时变化的不满。量子跃迁的问题还在于，它会在一个随机的时刻发生——没有任何解释可以说明为什么会发生在这个特殊的时刻。因此，这是一种没有原因的结果，一个明显的插入到自然界的心脏之中的随机性的例子。薛定谔和他的密友阿尔伯特·爱因斯坦无法接受现实在最基本层面上的随机性和不可预见性。根据德国物理学家马克斯·玻恩的说法，这场争论“与其说是物理学内部的问题，不如说是它与哲学和人类知识的关系问题”。换句话说，量子跃迁的实在性是关键所在。

不用看也能“看见”的观察

为了进一步探索，我们需要看到量子跃迁。1986年，有三个研究小组报告说，量子跃迁发生在由电磁场悬浮于空间中的单个原子中。原子在“亮”态和“暗”态之间转换，在“亮”态下，它们可以发射出光子；而“暗”态下，原子则不会在任意时刻发射出光子；它们在一种状态或另一种状态中停留几秒到几十秒，然后再次跃迁。从那时起，这种跃迁就在各种系统中被观察到了：从光子在量子态之间的转换到固体物质中的原子在量子化磁态之间的跃迁。2007年，法国的一个研究小组发现了与“单个光子从出生到死亡”相对应的跃迁。

在这些实验中，跃迁看起来确实是突然和随机的——在监测量子系统时，没有发现它们何时发生，也没有拍下跃迁的细节照片。相比之下，耶鲁大学团队的装置让他们能够预测何时会出现一个跃迁，然后进行放大检查。实验的关键是能够只收集有关该跃迁的所有可用信息，以便在测量之前没有任何信息泄漏到环境中。只有这样，他们才能追踪如此详细的单个跃迁。

研究人员所使用的量子系统比原子要大得多，它由一种超导材料所制作的导线构成，有时被称为“人造原子”，因为它具有类似于真实原子中电子态的离散量子能态。能态之间的跃迁可以通过吸收或发射光子来引起，就像原子中的电子一样。

德维莱特和他的同事们希望看到一个人造原子在其最低能态(基态)和能量激发态之间的跃迁。但他们无法直接监测这种转变，因为对量子系统进行测量会破坏量子行为所依赖的波函数的相干性。为了观察量子跃迁，研究人员必须保持这种相干性。否则他们会使波函数“崩溃”，这将使人工原子处于确定的一种或另一种状态。薛定谔的猫就是这样一个著名的例子，据说它被放置在一个相干的量子“叠加”中，它是活态和死态的“叠加”，但当观察它时，它就塌缩为其中一种状态。

为了解决这个问题，德维莱特和他的同事使用了一个涉及第二个激发态的巧妙方法。系统可以通过吸收不同能量的光子从基态到达第二激发态。研究人员以一种只显示系统是否处于第二种“亮”态的方式来探测这个系统，因为它是可以被观察的。与此同时，研究人员实际上正在寻找量子跃迁的“暗”态，因为它仍然隐藏在直接观察之下。

研究人员将超导电路放置在一个光学腔(一个适当波长的光子可以在其中反弹的腔)中，这样，如果系统处于亮态，光在腔内散射的方式就会发生变化。每当亮态由于光子的发射而衰减时，探测器就会发出类似于盖革计数器的“滴答”的信号。

奥利弗称，这里的关键在于该测量可以不直接询问系统的状态就能够提供有关的信息。实际上，它会询问系统是否处于基态和暗态。这种模糊性对于在这两种状态之间跃迁时保持量子相干性至关重要。奥利弗说，在这方面，耶鲁团队使用的方案与量子计算机中用于纠错的方案密切相关。在量子计算机中，也有必要在不破坏量子计算所依赖的相干性的情况下获取关于量子比特的信息。同样，这是通过不直接查看所讨论的量子比特，而是探测耦合到它的一个辅助状态来实现的。

这个策略揭示了量子测量并不在于由探测引起的物理扰动，而在于你所知道的(以及你所不知道的)信息。“事件的不发生与发生会产生一样多的信息。”德维莱特说。他把它比作福尔摩斯探案集的一个故事，在这个故事中福尔摩斯从一个“奇特的事件”中推断出一条至关重要的线索，在这起事件中，一只狗在夜间什么也没做。德维莱特借用另一个与狗有关的福尔摩斯故事，称它为“巴斯克维尔的猎犬遇见薛定谔的猫”。

“捕捉”跃迁

耶鲁大学的研究小组从探测器上听到了一系列的嘀嗒声，每一次都意味着亮态的衰变，通常每隔几微秒就会有一次。这种滴答声大约每隔几百微秒就会被中断，显然是随机的。然后，在通常维持100微秒左右的周期后，滴答声就会恢复。在那段寂静的时间里，这个系统应该经历了向暗态的过渡，因为这是唯一能防止在基态和亮态之间来回转换的东西。

所以从“滴答”到“不滴答”状态的转换就是单个的量子跃迁，就像在早期关于被困原子的实验中所看到的那样。然而在此情形下，德维莱特和他的同事们可以看到一些新的东西。

在每次跃迁到暗态之前，通常会有一个短暂的滴答暂停，这个暂停就是即将到来的跃迁的先兆。德维莱特说：“一旦不滴答的时间长度明显超过了两次滴答之间通常的时间间隔，你就会得到一个相当好的预警——跃迁即将发生。”

这一预警使研究人员能够更详细地研究这种跃迁。当他们看到这个短暂的停顿时，他们关掉了驱动跃迁的光子的输入。令人惊讶的是，即使没有光子驱动，向暗态的过渡仍然发生了——就好像在短暂的停顿开始时，命运已经确定了。因此，尽管跃迁本身是在一个随机的时间发生的，但在其过程中也有一些确定的东西。

随着光子输入的关闭，研究人员以非常精细的时间分辨率放大了跃迁，以观察它的展开。它是瞬间发生的吗？量子跃迁是像玻尔和海森堡所说的瞬时发生的？还是像薛定谔所认为的那样连续进行的？如果是连续的，情形如何？

研究小组发现，跃迁实际上是渐进的。这是因为，尽管直接观察只能揭示系统处于一种或另一种状态，但在量子跃迁过程中，系统处于这两种状态的叠加或混合状态。随着跃迁的进展，直接测量将越来越有可能产生最终状态而不是初始状态。这有点像我们的决定会随着时间的推移而演变。你要么留在派对上，要么离开派对——这是一个二元选择——但随着夜晚的流逝你会感到疲倦，“留下来还是离开？”这个问题的答案越来越可能会成为：“我要走了。”

耶鲁研究小组开发的技术揭示了量子跃迁过程中系统思维方式的变化。通过一种叫作层析重建的方法，研究人员可以计算叠加中暗态和基态的相对权重。他们看到这些权重在几微秒内逐渐变化。这相当快，但肯定不是瞬时的。

更重要的是，这个电子系统的速度如此之快，以至于研究人员能够“捕捉”两种状态之间的转换，然后将光子脉冲送入腔体，将系统推进到暗态。他们可以说服这个系统改变主意，最终留在派对中。

顿悟之光

“这项实验表明，如果我们仔细观察的话，量子跃迁确实不是瞬时的，”奥利弗说，“而是相干的过程。”随着时间的推移，真实的物理事件发生了。

“跃迁”的渐进性正是由一种叫作量子轨迹理论的量子理论所预言的，它可以描述像这样的个别事件。德国亚琛大学的量子信息专家戴维·迪文森佐（David DiVincenzo）说：“令人欣慰的是，这个理论与我们所看到的完全吻合，但这是一个微妙的理论，我们还远远没有完全理解它。”

德维莱特说，在量子跃迁发生之前预测量子跃迁的可能性，使得它们在某种程度上类似于火山爆发。每一次喷发都是不可预测的，但对一些大规模的喷发的预测可以通过观察它们之前的异常平静期来预测。他说：“据我们所知，这种（量子跃迁的）前兆信号以前从未有人提出或测量过。”

德维莱特说，发现量子跃迁预兆的能力可能会在量子传感技术中找到应用。例如，“在原子钟测量中，人们希望将时钟同步到原子的转换频率以作为参考。”他说。但是，如果你可以在开始时就检测到转换即将发生，而不是等待完成，则同步可以更快，因此长期来说更精确。

迪文森佐认为，这项工作也可能在量子计算的纠错中找到应用，尽管他认为这“相当遥远”。迪文森佐说，要达到处理这些错误所需的控制水平，就需要对测量数据进行彻底的收集——就像粒子物理学中的数据密集型情况一样。

然而，这个结果的真正价值并不在于任何实际的好处，而在于我们对量子世界的运作了解到了什么。是的，它是随机的——但不，它不是瞬时的。恰如其分地说，薛定谔是对的也是错的。

资料来源 Quanta Magazine