量子力學(xué)理論的標(biāo)準(zhǔn)解釋認(rèn)為，量子場內(nèi)的變化不可預(yù)測且是瞬時的。在難以觀測的微觀世界里，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，研究人員通過實驗首次證實量子躍遷是一種能被觀測和研究的實驗現(xiàn)象。從那時起，科學(xué)家借助不斷發(fā)展的技術(shù)，對這種神秘現(xiàn)象進(jìn)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(yù)測，且開始后可以被阻斷。近期，一項新的理論研究更深入挖掘了量子躍遷過程，以及它何時會發(fā)生。研究顯示，這個看上去簡單和基礎(chǔ)的現(xiàn)象，實際上十分復(fù)雜。

預(yù)測量子躍遷

美國耶魯大學(xué)研究人員通過一種干擾度最小的裝置來監(jiān)測量子躍遷進(jìn)程。每一次躍遷都發(fā)生在一個超導(dǎo)量子比特的兩個能態(tài)之間，這個小循環(huán)可用于模擬原子中離散量子能態(tài)的超導(dǎo)微環(huán)路。研究人員測量了低能態(tài)系統(tǒng)中量子比特的“附加活動”——可被觀測設(shè)備捕捉但不會影響量子系統(tǒng)的運行。

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

躍遷過程由系統(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，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，模擬實驗顯示，在這個可間接預(yù)測或干擾量子躍遷中，一定存在一個不可捕捉的組分。

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

量子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變通過基態(tài)和激發(fā)態(tài)的混合實現(xiàn)，這稱為量子系統(tǒng)的疊加態(tài)。然而，在觀測設(shè)備和系統(tǒng)的聯(lián)系超過一定閾值時，這種系統(tǒng)疊加態(tài)就會趨向某一個能值，并保持相對穩(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)測了量子躍遷發(fā)生，但無法避免會再次“跟丟”系統(tǒng)。

而即使在躍遷可預(yù)測的期間，也會存在一些差異。Snizhko表示，這些過程中還包含著一種不可預(yù)測的組分?？刹蹲降牧孔榆S遷通常具有一個處在基態(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有明確的方向或終點。

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，也是這項耶魯大學(xué)研究的第一作者。他表示這項新的理論研究“在以量子比特作為參數(shù)的實驗條件下，描繪闡述了一個簡單清晰的量子躍遷模式”。他認(rèn)為，這項研究與先前的耶魯實驗互相參照，顯示“相比于我們之前的認(rèn)識，量子躍遷軌跡的離散性、隨機性和可預(yù)測性還有待更廣闊而充分的研究。”

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，表明量子世界中部分是可以預(yù)測的。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)測量子躍遷的可行性時，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，量子物理界就要坍縮了！”

“我們的實驗最終成功了，并且推斷出量子躍遷整體路徑是隨機和離散的。然而，在更精密的時間尺度上，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存在?！?Minev解釋道。

而這一躍遷過程能應(yīng)用到整個物質(zhì)世界嗎，如預(yù)測實驗室外的原子？Kumar還不確定，而很大部分原因在于研究條件上的過多限制。Kumar說：“推廣這項研究當(dāng)然很令人興奮?！比绻磥聿煌挠^測設(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具有隨機性和可預(yù)測性、離散性和連續(xù)性。

量子躍遷是自然界中最基本、最原始的物理問題，但一直很難被真正觀測到。直到最新的科技進(jìn)展扭轉(zhuǎn)了這一局勢。美國華盛頓大學(xué)的助理教授Kater Murch表示：“耶魯大學(xué)的實驗啟發(fā)了這項理論研究，為解決這個數(shù)十年的物理難題打開了全新的局面。在我心目中，實驗與理論的相輔相成，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)》）