颠覆物理学基本认知：量子跃迁可以被预测了

亚原子粒子在离散能态之间的转换称为量子跃迁，这是自然界中最基础的物理过程之一。最近的研究表明，跃迁过程虽然十分复杂，但有时是可以被预测的。

量子力学（quantum mechanics）——这一理论旨于在极微观的角度上描述宇宙中的物理学，其著名的特征是“反常识”。这一理论的标准解释认为量子场内的变化不可预测且是瞬时的 。试想一下，如果肉眼可见的宏观世界和量子场中的原子以相同的方式运作，一团面糊就能立刻变成一个香喷喷的蛋糕，而无需其中间过程。这样的好事当然不会在日常生活中发生，在难以观测的微观世界里，阐明“量子跃迁”（quantum jump）的性质，一直是困扰物理学家的重要难题。

近些年来，由于技术的进步，物理学家能在精密设计的实验设备中，更近一步观察这个过程。 最为基础性的突破或出现在1986年（目前对这一观测仍存在争议），研究人员通过实验首次证实“量子跃迁”是一种 能被观测和研究的实验现象 。从那时起，科学家借助不断发展的技术，对这种神秘现象进行了更深入的观察。2019年的一项研究显示，量子跃迁的过程可以被预测，且开始后可以被阻断。这一发现颠覆了传统的量子跃迁观念。

预测量子跃迁

研究人员在耶鲁大学实施了这项实验，他们通过一种干扰度最小的装置来监测量子跃迁进程。每一次跃迁都发生在一个超导量子比特（superconducting qubit，量子计算机的基本单位）的两个能态之间，这个小循环可用于模拟原子中离散量子能态的超导微环路。研究人员测量了低能态系统中量子比特的“附加活动” （side activity）——可被观测设备捕捉但不会影响量子系统的运行。

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研究中的“附加活动”是一种“咔哒”声，是监测设备所捕捉的、由系统散发的光子信号，这表明光子未被系统吸收、跃迁尚未发生。这就好比在隔壁房间通过听关键词的方式，推测在播的电视节目。这种方式首次实现了对量子跃迁的间接监测，避免了量子实验中的一个主要问题——直接观察会破坏量子相干性（量子相干性使整个系统处于类似薛定谔的“猫”一样的叠加态，而直接观测会导致退相干效应，即打开箱子的瞬间，猫要么活着要么死去）。这些测量揭示了一个重要的性质：在“附加活动”中，量子向高能态跃迁之前会有一个停顿 。而科学家可以通过这种停顿预测甚至阻止量子跃迁。

近期，一项新的理论研究更深入挖掘了量子跃迁过程，以及它何时会发生。 研究显示，这个看上去简单和基础的现象，实际上十分复杂。

这项新研究发表于《物理评论研究》。研究人员对量子跃迁全过程进行了逐步的回溯建模。跃迁过程由系统低能态（low-energy state）开始也称为基态（ground state）；当跃迁至系统高能态时，也称为激发态（excited state），随后跃迁路径转向，再次回到基态。文章作者Kyrylo Snizhko是德国卡尔斯鲁厄理工学院的一名博士后学者，他在之前工作的以色列魏茨曼科学研究所完成了这项研究。他表示，模拟实验显示，在这个可间接预测或干扰量子跃迁中，一定存在一个不可无法捕捉的组分 。

具体来说，量子跃迁从激发态向基态的回落过程，并 不总是平滑和可预测的 ，这就是作者所描述的“不可捕捉”的组分。研究指出，观测设备与受测系统的“连接度”，对系统跃迁有直接影响。在这一过程中，量子跃迁由观测的时间尺度而非跃迁过程定义。观测设备和量子系统的连接可能很弱，正如耶鲁大学进行的实验，在这种情况下，通过“咔哒”信号的暂停能预测量子跃迁。

量子系统的转变通过基态和激发态的混合实现，这称为量子系统的叠加态。然而，在观测设备和系统的联系超过一定阈值时，这种系统叠加态就会趋向某一个能值，并保持相对稳定，直至再次突然回到基态。在这种特殊情况下，“量子跃迁的进程就很难被预测或中途逆转，”论文的共同作者Parveen Kumar解释道，他是魏茨曼科学研究所的博士后。这意味着，即使我们 一开始成功预测了量子跃迁发生，但无法避免会再次“跟丢”系统

文章来源：《中国医学物理学杂志》 网址: http://www.zgyxwlxzz.cn/zonghexinwen/2021/0623/583.html