耶魯大學(xué)研究人員通過預(yù)測薛定諤貓的跳躍并及時(shí)采取行動(dòng)將它從眾所周知的厄運(yùn)中拯救出來，從而找到了如何抓住并拯救這只貓的方法。

薛定諤的貓是量子疊加和不可預(yù)測性的象征。在這個(gè)過程中，推翻了量子物理學(xué)多年來的基石教條。這一發(fā)現(xiàn)使研究人員能夠?yàn)榘孔有畔⒌娜斯ぴ蛹磳l(fā)生的跳躍建立一個(gè)早期預(yù)警系統(tǒng)，一項(xiàng)宣布這一發(fā)現(xiàn)的研究發(fā)表在2019年6月3日的《自然》上。

薛定諤的貓是一個(gè)著名悖論，用來說明量子物理學(xué)中疊加的概念（兩種對立狀態(tài)同時(shí)存在的能力）以及不可預(yù)測性。這個(gè)想法是把一只貓放在一個(gè)密封的盒子里，盒子里有一個(gè)放射源，如果放射性物質(zhì)的一個(gè)原子衰變，就會觸發(fā)毒藥。量子物理學(xué)的疊加理論認(rèn)為，在有人打開盒子之前，貓既是活的也是死的，是狀態(tài)的疊加。打開盒子觀察貓會使它突然隨機(jī)改變量子態(tài)，迫使它要么死，要么活。量子躍遷是觀察到狀態(tài)的離散(非連續(xù))和隨機(jī)變化。

這項(xiàng)由耶魯大學(xué)教授米歇爾·德沃里特(Michel Devoret)在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，由第一作者茲拉特科·米內(nèi)夫(Zlatko Minev)提出，首次深入研究了量子躍遷的實(shí)際研究。結(jié)果揭示了一個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)，與丹麥物理學(xué)家尼爾斯·玻爾的既定觀點(diǎn)相矛盾——跳躍既不像之前認(rèn)為的那樣突然，也不像之前認(rèn)為的那樣隨機(jī)。對于一個(gè)微小的物體，如電子、分子或含有量子信息的人造原子(稱為量子位)，量子躍遷是指從一種離散的能態(tài)突然過渡到另一種能態(tài)。

在開發(fā)量子計(jì)算機(jī)時(shí)，研究人員至關(guān)重要的是必須處理量子位元的跳躍，這是計(jì)算錯(cuò)誤的表現(xiàn)。神秘量子躍遷是波爾在一個(gè)世紀(jì)前提出的理論，但直到20世紀(jì)80年代才在原子中觀測到。耶魯大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)和物理學(xué)f.w.b inecke教授、耶魯量子研究所(Yale Quantum Institute)成員德沃里特(Devoret)說：每次我們測量一個(gè)量子位元時(shí)，這些跳躍就會發(fā)生，眾所周知，從長期來看，量子跳躍是不可預(yù)測的。

盡管如此，科學(xué)家想知道是否有可能得到一個(gè)提前警告信號，表明跳躍即將發(fā)生。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的靈感來自奧克蘭大學(xué)Howard Carmichael教授的理論預(yù)測，他是量子軌跡理論的先驅(qū)，也是這項(xiàng)研究的合著者。除了它的基本影響，這一發(fā)現(xiàn)在理解和控制量子信息方面是一個(gè)潛在的重大進(jìn)展。研究人員表示，在開發(fā)完全有用的量子計(jì)算機(jī)過程中，可靠地管理量子數(shù)據(jù)和糾正錯(cuò)誤是一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。耶魯大學(xué)研究小組使用了一種特殊的方法來間接監(jiān)測超導(dǎo)人工原子，用三個(gè)微波發(fā)生器照射包裹在鋁制成的三維腔體中的原子。

Minev開發(fā)的超導(dǎo)電路雙間接監(jiān)測方法使研究人員能夠以前所未有的效率觀察原子。當(dāng)人造原子同時(shí)被觀測時(shí)，微波輻射會攪動(dòng)它，導(dǎo)致量子躍遷。這些跳躍的微小量子信號可以被放大而不損失到室溫。在這里，信號可以被實(shí)時(shí)監(jiān)控。這使得研究人員能夠看到探測光子的突然缺失(光子是由受微波激發(fā)的原子狀態(tài)發(fā)出的)，這種微小的缺失是量子躍遷的預(yù)警。盡管觀察到跳躍，但這個(gè)實(shí)驗(yàn)顯示出的美麗效果是跳躍過程中連貫性的增強(qiáng)，你不僅可以利用這個(gè)來抓住跳躍，還可以逆轉(zhuǎn)它。

這是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，從長遠(yuǎn)來看，量子跳躍表現(xiàn)為離散和隨機(jī)的，反轉(zhuǎn)量子跳躍意味著量子態(tài)的演化在一定程度上具有確定性而非隨機(jī)性；跳轉(zhuǎn)總是以相同、可預(yù)測的方式從其隨機(jī)起點(diǎn)發(fā)生。原子的量子躍遷在某種程度上類似于火山爆發(fā)，從長期來看，它們是完全不可預(yù)測的。盡管如此，通過正確的監(jiān)測，可以確定地發(fā)現(xiàn)即將來臨的災(zāi)難預(yù)警，并在災(zāi)難發(fā)生之前采取行動(dòng)。

博科園｜研究/來自：耶魯大學(xué)

參考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-019-1287-z

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