拯救薛定谔的猫
如何抓住并拯救薛定谔的那只著名的猫？最近，研究人员通过预测猫的“跳跃”以及对它采取“实时行动”，将这只象征着量子叠加和不可预测性的猫从那场众所周知的厄运中挽救了出来。在这个过程中，他们推翻了多年以来量子物理学的一个基石。
在物理学中，薛定谔猫是一个非常著名的悖论，它描述的是量子力学中叠加的概念（即两种对立状态可以同时存在的能力）和不可预测性。
在这个著名的思想实验中，一只猫被放在一个密封的盒子里，盒子里装有一份放射性物质和一份毒药，如果放射性物质中的任何一个原子发生衰变，就会触发毒药，猫就会死亡。
根据量子物理学的叠加理论，在盒子被打开之前，猫会一直处于一种不确定的叠加态，它既是死的又同时是活的。只有在打开盒子的一瞬间，对猫进行的观测才会导致它的量子态发生突然地随机变化，迫使它要么死、要么活。
在一项刊登在《自然》期刊的新研究中，物理学家使用过冷电路来模拟一个具有多能级的原子，这种人工原子包含量子信息。研究人员惊讶地发现，决定了生与死的量子跃迁，竟然并不是在瞬间完成的。在出现跃迁之前，它甚至还存在一个提前的警告信号。这一结果使得研究人员能够逆转这一过程——将死亡的猫咪救活！这不仅对薛定谔的那只可怜的小猫是个好消息，对从事量子计算机研究的物理学家来说也是如此。
量子跃迁是指在进行观测时，量子态发生的离散（非连续）且随机的变化。
对于一些微小的物体来说，比如电子、分子或含有量子信息的人工原子（即量子位），量子跃迁是指它们从某一个离散的能态过渡到另一个。近年来，量子跃迁已经成为一个非常关键的量子现象，尤其在量子信息领域，它被用于检测和纠正在量子信息系统中因退相干而引起的误差。因此，量子位的跃迁是研究量子计算机的科学家所必须处理的重要问题，因为跃迁的出现意味着计算出现错误。但是，每次测量一个量子位时，都会发生这种跃迁，而且这是不可预测的。
1913年，尼尔斯·玻尔提出在原子的两个离散能级之间存在量子跃迁。在很长一段时间内，关于量子跃迁的性质和存在都有很大的争议，直到20世纪80年代，物理学家才在原子中观测到了这种现象。自那之后，我们便在各种原子和固体系统中都观测到了量子跃迁。
从根本上讲，由于量子物理学的不确定性，我们认为量子跃迁发生的时间是不可预测的。但我们有没有可能得知一个量子跃迁是否即将发生呢？对于这个问题，耶鲁大学的物理学家们似乎给出了肯定的答案：他们用实验证明，在一个具有三个能级的超导人工原子中，从基态到激发态的跃迁是可以通过实时监测一个与基态耦合的辅助能级而被追踪的。
这项实验是由论文的第一作者zlatko minev提出的，他之所以会提出这一实验，是因为受到了奥克兰大学的howard carmichael教授的启发。carmichael是现代量子轨迹理论的先驱，也是这项研究的一名合著者，根据他的一个理论预测：在跃迁中，系统的状态不仅会连续的在基态和激发态之间连续演化，而且在跃迁发生之前还存在一个“潜伏期”，也就是一个辅助能级，它会为即将发生的跃迁提供一个警告信号。
这项研究的实验部分是由物理学教授michel devoret完成的，他的研究团队使用了一种特殊的方法来间接地监测超导人工原子，这些原子被包裹在一个用铝制的三维腔体中，并受到来自三个微波发生器的辐射照射。运用这种方法，研究人员能够以前所未有的效率对原子进行观测。
另外，在人工原子被观测的同时，微波辐射也会对它产生干扰，导致量子跃迁。跃迁所放出的微弱量子信号可以无损失的情况下被放大，从而使研究人员可以对它们的信号进行实时监控，因此就能看到探测光子的突然缺失，这种缺失是由原子的辅助状态放出电子所导致的，它就是量子跃迁的预警。
这是首次对量子跃迁的实际原理进行深入研究，并且得到了令人惊叹的意外结果，他们的发现意味着量子跃迁既不突然，也不随机，每一个跃迁都具有连续且确定的演化，这与玻尔的既定观点是相矛盾的。
据作者介绍，这个实验所展现出的一个美好的效应是量子相关性在跃迁过程中得到了增强。我们不仅可以利用它来捕捉跃迁，还可以逆转跃迁。研究人员认为这是非常关键的一点。虽然从长远角度来看，量子跃迁看起来的确是离散且随机的，但逆转量子跃迁则意味着量子态的演化在一定程度上是具有确定性的；它总是以相同的、可预测的方式发生于一个随机的起点。
minv说：“在某种程度上，原子的量子跃迁类似于火山爆发。”长期来看，它们是完全不可预测的。但如果通过正确的监测，我们可以确定地发现即将来临的灾难预警，并在灾难发生之前采取行动。
除了对量子物理学基础的影响之外，新发现的一个重大意义就在于它或许能让我们更好地理解和控制量子信息。毕竟在研发出完全可用的量子计算机过程中，能可靠地管理量子数据并纠正错误，一直是我们面临的一个重大挑战。而新的研究为应对这些挑战带来了希望。
参考资料
[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
文章头图及封面图片来源：kat stockton/news.yale.edu
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