如何抓住并拯救薛定諤的那只著名的貓？最近，研究人員通過預測貓的“跳躍”以及對它采取“實時行動”，將這只象征著量子疊加和不可預測性的貓從那場眾所周知的厄運中挽救了出來。在這個過程中，他們推翻了多年以來量子物理學的一個基石。
1.
在物理學中，薛定諤貓是一個非常著名的悖論，它描述的是量子力學中疊加的概念（即兩種對立狀態(tài)可以同時存在的能力）和不可預測性。
在這個著名的思想實驗中，一只貓被放在一個密封的盒子里，盒子里裝有一份放射性物質和一份毒藥，如果放射性物質中的任何一個原子發(fā)生衰變，就會觸發(fā)毒藥，貓就會死亡。
根據(jù)量子物理學的疊加理論，在盒子被打開之前，貓會一直處于一種不確定的疊加態(tài)，它既是死的又同時是活的。只有在打開盒子的一瞬間，對貓進行的觀測才會導致它的量子態(tài)發(fā)生突然地隨機變化，迫使它要么死、要么活。
量子躍遷是指在進行觀測時，量子態(tài)發(fā)生的離散（非連續(xù)）且隨機的變化。
對于一些微小的物體來說，比如電子、分子或含有量子信息的人工原子（即量子位），量子躍遷是指它們從某一個離散的能態(tài)過渡到另一個。近年來，量子躍遷已經成為一個非常關鍵的量子現(xiàn)象，尤其在量子信息領域，它被用于檢測和糾正在量子信息系統(tǒng)中因退相干而引起的誤差。因此，量子位的躍遷是研究量子計算機的科學家所必須處理的重要問題，因為躍遷的出現(xiàn)意味著計算出現(xiàn)錯誤。但是，每次測量一個量子位時，都會發(fā)生這種躍遷，而且這是不可預測的。
在一項刊登在《自然》期刊的新研究中，物理學家使用過冷電路來模擬一個具有多能級的原子，這種人工原子包含量子信息。研究人員驚訝地發(fā)現(xiàn)，決定了生與死的量子躍遷，竟然并不是在瞬間完成的。在出現(xiàn)躍遷之前，它甚至還存在一個提前的警告信號。這一結果使得研究人員能夠逆轉這一過程——將死亡的貓咪救活！這不僅對薛定諤的那只可憐的小貓是個好消息，對從事量子計算機研究的物理學家來說也是如此。
2.
1913年，尼爾斯·玻爾提出在原子的兩個離散能級之間存在量子躍遷。在很長一段時間內，關于量子躍遷的性質和存在都有很大的爭議，直到20世紀80年代，物理學家才在原子中觀測到了這種現(xiàn)象。自那之后，我們便在各種原子和固體系統(tǒng)中都觀測到了量子躍遷。
從根本上講，由于量子物理學的不確定性，我們認為量子躍遷發(fā)生的時間是不可預測的。但我們有沒有可能得知一個量子躍遷是否即將發(fā)生呢？對于這個問題，耶魯大學的物理學家們似乎給出了肯定的答案：他們用實驗證明，在一個具有三個能級的超導人工原子中，從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷是可以通過實時監(jiān)測一個與基態(tài)耦合的輔助能級而被追蹤的。
這項實驗是由論文的第一作者Zlatko Minev提出的，他之所以會提出這一實驗，是因為受到了奧克蘭大學的Howard Carmichael教授的啟發(fā)。Carmichael是現(xiàn)代量子軌跡理論的先驅，也是這項研究的一名合著者，根據(jù)他的一個理論預測：在躍遷中，系統(tǒng)的狀態(tài)不僅會連續(xù)的在基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間連續(xù)演化，而且在躍遷發(fā)生之前還存在一個“潛伏期”，也就是一個輔助能級，它會為即將發(fā)生的躍遷提供一個警告信號。
這項研究的實驗部分是由物理學教授Michel Devoret完成的，他的研究團隊使用了一種特殊的方法來間接地監(jiān)測超導人工原子，這些原子被包裹在一個用鋁制的三維腔體中，并受到來自三個微波發(fā)生器的輻射照射。運用這種方法，研究人員能夠以前所未有的效率對原子進行觀測。
另外，在人工原子被觀測的同時，微波輻射也會對它產生干擾，導致量子躍遷。躍遷所放出的微弱量子信號可以無損失的情況下被放大，從而使研究人員可以對它們的信號進行實時監(jiān)控，因此就能看到探測光子的突然缺失，這種缺失是由原子的輔助狀態(tài)放出電子所導致的，它就是量子躍遷的預警。
這是首次對量子躍遷的實際原理進行深入研究，并且得到了令人驚嘆的意外結果，他們的發(fā)現(xiàn)意味著量子躍遷既不突然，也不隨機，每一個躍遷都具有連續(xù)且確定的演化，這與玻爾的既定觀點是相矛盾的。
3.
據(jù)作者介紹，這個實驗所展現(xiàn)出的一個美好的效應是量子相關性在躍遷過程中得到了增強。我們不僅可以利用它來捕捉躍遷，還可以逆轉躍遷。研究人員認為這是非常關鍵的一點。雖然從長遠角度來看，量子躍遷看起來的確是離散且隨機的，但逆轉量子躍遷則意味著量子態(tài)的演化在一定程度上是具有確定性的；它總是以相同的、可預測的方式發(fā)生于一個隨機的起點。
Minv說：“在某種程度上，原子的量子躍遷類似于火山爆發(fā)?！遍L期來看，它們是完全不可預測的。但如果通過正確的監(jiān)測，我們可以確定地發(fā)現(xiàn)即將來臨的災難預警，并在災難發(fā)生之前采取行動。
除了對量子物理學基礎的影響之外，新發(fā)現(xiàn)的一個重大意義就在于它或許能讓我們更好地理解和控制量子信息。畢竟在研發(fā)出完全可用的量子計算機過程中，能可靠地管理量子數(shù)據(jù)并糾正錯誤，一直是我們面臨的一個重大挑戰(zhàn)。而新的研究為應對這些挑戰(zhàn)帶來了希望。
參考鏈接：
[1] https://www.nature.com/articles/s41586-019-1287-z
[2] https://news.yale.edu/2019/06/03/physicists-can-predict-jumps-schrodingers-cat-and-finally-save-it
