如何看待科学家发现「量子跃迁」有预警信号?

20190613更:看了很多的评论,还有一些相关的知乎问题,好像很多人觉得这个工作证伪了量子力学的随机性(概率解释)or不连续性,甚至认为量子力学被推翻了。。。我觉得实在是有必要澄清一下。这个工作本身没有推翻任何现有的量子力学理论!实验的所有结论都与理论学家用现有的量子力学理论预测预相符!我不知道是哪家媒体的报道出现了偏差。。他们是要负责任的。。

解释一下量子力学的随机性和不连续性:比如我们考虑电子可以占据GD这两个分立的能级,能量分别是EG和ED,如果电子处在叠加态,那么如果我们测电子能量,单次测量的结果只可能是EG或者ED(不连续),单次实验测出来是哪个是随机的(随机性)。

量子跃迁是指,在光场中,原子的电子可以吸收或者放出一个光子能量在GD两个能级间跃迁(G->D或者D->G),这篇文章的结论是:量子跃迁这一过程发生的时间虽然是随机的,但是发生前有预兆,而且跃迁过程连续。这跟测量都没关系啊!咋就被理解成推翻了量子力学的随机性和不连续性。。。

文章第三幅图的Z_GD展示的就是测量到电子在G态或者D态的概率(Z越小测到G的概率越大),作者明确说了,单次实验只能测出来电子在G或者D,那条线是做了680万次实验平均下来的结果,所以才是连续的。为什么要画概率?因为每一次测得的结果是随机的啊!概率的变化是连续的,不代表每次实验的结果也是连续的啊!


20190611更:拖延症晚期的我终于把文章逆转量子跃迁那部分补上了。。。

评论区很多知友反应看不懂。。。确实写的有点太晦涩了。。简单的科普可以看题主引的那个报道,里面是用薛定谔的猫来讲这个事情,或许更生动形象好理解。不过那个报道对物理原理和实验方法说的不太多,希望这个回答可以帮助大家理解。


耶鲁大学两位超导量子计算大佬又搞了个大新闻啊!

这个工作是说,通过对量子态的测量可以预测量子跃迁的发生。由于这种预警信号的存在,他们还可以主动对体系进行操控,把进行到一半的量子跃迁拉回来。

在量子力学建立之前,波尔用他的三个假设解释了氢原子光谱,这就是著名的波尔模型,波尔模型现在还出现在很多量子力学或者原子物理的教科书里。波尔模型有三个基本假设:定态假设(原子中的电子可以在一系列轨道上稳定运动)、角动量量子化假设(这些轨道的角动量是普朗克常数的整数倍)和跃迁假设(原子可以通过吸收或者放出能量在这些轨道上跳来跳去)。

当人在不停地观测原子的状态时(强测量),这种跃迁发生的时间是随机的。但这并不代表我们不能预测量子跃迁的发生。这篇文章就是利用实时测量结果的一些特征预测跃迁,并且扭转跃迁。


下面讲讲这个实验具体怎么做的吧

他们用超导电路做出了有D, B, G三个能级的量子体系,也就是他们所谓的人工原子。其中D和G是量子跃迁发生的两个能级,B的引入是为了测量跃迁的发生。DG之间的耦合\Omega_{DG} 产生量子跃迁,BG之间的耦合使得研究人员可以通过测量B得到原子G态的概率。

上图中蓝灰红分别代表原子处在BGD三个状态。当原子处在G态的时候,由于BG耦合的存在,可以看到原子在BG之间跃迁(这个虽然也叫跃迁,但我们感兴趣的是GD的跃迁,不是这个)。在0到~33us之间,原子一直处于G状态(蓝灰交替),但是在45us之后,原子处在D状态(红色),这说明在45us的时候发生了量子跃迁(G到D)。但是这中间的12us时间里(粉色阴影的区域),虽然原子仍处在G,但是我们看不到B(蓝色)了。这就是预警信号!

他们在预警期做了state tomography,可以看到在这12us内,量子态是从G连续变到D的(对应着Z_GD从-1连续变到+1),说明量子跃迁不是一个瞬时的过程!

从上图还可以看到在中间时刻 \Delta t'_{mid} ,Z=0,也就是量子跃迁刚好进行到了一半,在这个时候,自旋是朝X方向的。所以大致来说,量子跃迁的过程自旋从-Z到X再到Z。知道了这个轨迹,研究人员就可以在中间时刻 \Delta t'_{mid}把X再转回到-Z,人为逆转这个进行到一半的跃迁过程。


最后以我粗浅的认识谈一下如何看待吧。。。

这个结果之前是被理论预言的。所以这篇文章的主要结论:量子跃迁是连续、相干、可预测的,这三点从理论的角度上并没有什么意外的。这个理解上也很自然,因为量子跃迁说的是一个开放系统,比如在光场中的原子,只看原子的话会发现有跃迁。但是如果把光考虑进来,整个系统就是封闭系统,所有的演化都是连续、相干、可预测的,原子作为其子系统也应该具有这样的性质。

当然实验验证也非常重要,毕竟对于物理学来说,算出来的永远没有看到的靠谱。这个实验的control也比较复杂,能做出来也很厉害。

来源:知乎 www.zhihu.com

作者:Quantum Engineer

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