【量子力学谁提出的】实验捕捉到了一个跃迁中的量子—量子力学的创始人认为这不可能

2020-05-05 - 量子力学

量子力学在一个世纪前首次发展成为理解原子尺度世界的理论时,它的一个关键概念是如此激进,大胆和反直觉,以至于它变成了流行语言:“量子飞跃”。纯粹主义者可能会反对,将这个术语应用于重大变化的常见习惯,忽略了两个量子态之间的跳跃通常是微小的这一点,这正是为什么它们没有更早被注意到的原因。但真正的问题是它们是突然发生的。事实上,量子力学的许多先驱都认为它们是瞬间产生的。

量子力学谁提出的

一项新的实验表明,事实并非如此。通过制作一种量子跃迁的高速电影,该作品揭示了这个过程就像一个雪人在阳光下融化一样渐进。耶鲁大学的Michel Devoret说:“如果我们能够快速有效地测量量子跃进,这实际上是一个持续的过程。”这项研究由德沃雷特实验室的研究生兹拉特科米内夫牵头,于周一发表在《自然》杂志上。同事们已经很兴奋了。“这真是一个奇妙的实验,”麻省理工学院的物理学家威廉·奥利弗说

量子力学谁提出的

但还有更多。通过他们的高速监控系统,研究人员可以发现量子跃迁即将出现的时间,“捕捉”到一半,并将其逆转,让系统回到开始时的状态。这样,在量子先驱看来,物理世界中不可避免的随机性,现在被证明是可以控制的。我们可以控制量子。

量子力学谁提出的

20世纪20年代中期,尼尔斯·玻尔、维尔纳·海森堡和他们的同事们在一幅现在通常被称为哥本哈根解释的图中,阐述了量子理论的核心支柱是量子跳跃的瞬时性。玻尔早些时候曾指出,原子中的电子的能量状态是“量化的”:只有特定的能量可以被它们利用,而它们之间的所有能量都是被禁止的。

他提出电子通过吸收或发射光子量子粒子来改变能量,光子的能量与允许电子状态之间的间隙相匹配。这就解释了为什么原子和分子会吸收并发射出非常特殊的波长的光——比如,为什么许多铜盐是蓝色的,而钠灯是黄色的。

量子跳跃并不是物理学的内在问题,而是与哲学和人类知识的关系之一。

波尔和海森堡在20世纪20年代开始研究这些量子现象的数学理论。海森堡的量子力学列举了所有允许的量子态,并隐含地假设它们之间的跳跃是瞬间的—不连续的,正如数学家所说的那样。“瞬间量子跳跃的概念......成为哥本哈根解释的基本概念,”科学历史学家马拉贝勒写道。

量子力学的另一位大师、奥地利物理学家薛定谔不喜欢这个想法。他设计了一种乍一看似乎可以替代海森堡的离散量子态和量子态之间瞬间跳跃的数学方法。薛定谔的理论以波函数的形式来描述量子粒子,这种波函数只会随着时间的推移而平稳而连续地变化,就像公海上平缓的波动一样。

薛定谔认为,现实世界中的事物不会在零时间内突然发生变化——不连续的“量子跳跃”只是心灵的虚构。1952年的一篇论文《量子跳跃存在吗?》薛定谔斩钉截铁地回答说:“不是。”他的愤怒显而易见,他称这些人为“量子混蛋”。

争论不仅仅是关于薛定谔对瞬时变化的不适。量子跃迁的问题还在于,据说它只是发生在一个随机的时刻,而没有说明为什么会发生在那个特定的时刻。因此,这是一种没有原因的结果,一种插入自然之心的明显随机性的实例。薛定谔和他的亲密朋友阿尔伯特·爱因斯坦不能接受在最基本的现实层面上主宰一切的机会和不可预测性。

根据德国物理学家马克斯·波恩的说法,整个争议“与其说是物理学的内部问题,不如说是它与哲学和一般人类知识的关系之一”。换句话说,有很多事情取决于量子跳跃的现实(或非现实)。

看不见

为了进一步探讨,我们需要一次看到一个量子跳跃。1986年,三个研究小组报告说, 它们发生在被电磁场悬浮在空间中的单个原子中。原子在一个“明亮”状态和一个“黑暗”状态之间翻转,在这个状态下,它们可以发出光子,在一个状态或者另一个状态,在十分之几秒之间。

然后再跳几秒钟。从那以后,在各种系统中已经看到了这种跳跃,范围从量子态之间的光子切换到在量子化磁态之间跳跃的固体材料中的原子。2007年,法国的一个团队报告的跳跃对应于他们所谓的“个体光子的诞生,生死”。

在这些实验中,跳跃确实看起来是突然和随机的,因为量子系统受到监控,何时会发生,也没有任何关于跳跃看起来像的详细图片。相比之下,耶鲁团队的设置让他们能够预测跳跃何时到来,然后放大接近检查它。实验的关键是能够收集关于它的所有可用信息,以便在测量之前不会泄漏到环境中。只有这样,他们才能按照这样的细节进行单跳。

研究人员使用的量子系统远大于原子,由超导材料制成的导线组成 - 有时称为“人造原子”,因为它们具有类似于真实原子中电子态的离散量子能态。能量状态之间的跳跃可以通过吸收或发射光子来诱导,就像原子中的电子一样。

Devoret和他的同事想要观察单个人工原子在最低能量(基态)和能量激发态之间的跳跃。但他们不能直接监测这种转变,因为在量子系统上进行测量会破坏波函数的相干性——它的光滑波状行为——而量子行为正是依赖于这种相干性。

为了观察量子跃迁,研究人员必须保持这种一致性。否则,它们会“折叠”波函数,使人造原子处于一种或另一种状态。薛定谔的猫就是一个著名的例子。据说,薛定谔的猫处于活态和死态的相干量子“叠加”中,但当被观察到时,它只会变成其中之一。

为了解决这个问题,Devoret及其同事采用了一个涉及第二个兴奋状态的巧妙技巧。系统可以通过吸收不同能量的光子从基态到达该第二状态。研究人员以一种只告诉他们系统是否处于第二个“明亮”状态的方式探测系统,因为它是可以看到的状态而得名。研究人员实际上寻找量子跃迁的状态同时也是“黑暗”状态 - 因为它仍然是直接观察的隐藏。

研究人员将超导电路放置在一个光学腔(一个可以反射正确波长的光子的腔室)中,这样,如果系统处于明亮状态,光在腔内散射的方式就会发生变化。每当亮状态通过发射光子衰变时,探测器发出的信号类似于盖革计数器的“咔哒声”。

Oliver说,关键在于测量提供了有关系统状态的信息,而无需直接询问该状态。实际上,它询问系统是否共同处于地面和黑暗状态。这种模糊性对于在这两种状态之间的跳跃期间保持量子相干性是至关重要的。在这方面,奥利弗说,耶鲁大学所使用的方案与量子计算机中用于纠错的方案密切相关。

在那里,有必要获得有关量子比特的信息而不破坏量子计算所依赖的一致性。同样,这是通过不直接查看所讨论的量子位但探测耦合到它的辅助状态来完成的。

该策略揭示量子测量不是关于探测器引起的物理扰动,而是关于你所知道的(以及你未知的东西)。“没有事件可以带来与其存在一样多的信息,”Devoret说。他把它与夏洛克·福尔摩斯的故事进行了比较,在这个故事中,侦探从“好奇事件”中推断出一条重要线索,其中一只狗在夜间没有做任何事情。

借用与狗相关的不同(但经常混淆)的霍姆斯故事,Devoret称之为“Baskerville的猎犬遇见Schrdinger的猫”。

抓住一个跳跃

耶鲁大学的研究小组看到了探测器发出的一系列咔嗒声,每个咔哒声都表示亮状态的衰减,通常每隔几微秒到达一次。这个点击流大约每隔几百微秒被中断,显然是随机的中断,没有点击。然后在通常100微秒左右的时间段后,点击恢复。在那个沉默的时间里,系统可能已经经历了向黑暗状态的过渡,因为这是唯一可以防止在地面和明亮状态之间来回翻转的东西。

因此,在这些从“点击”到“无点击”状态的开关中,各个量子跳跃就像在早期关于被困原子等的实验中看到的那样。然而,在这种情况下,Devoret及其同事可以看到新的东西。

在每次跳到黑暗状态之前,通常会有一个短暂的咒语,点击似乎暂停:暂停作为即将跳跃的预兆。Devoret说:“一旦非点击时段的长度明显超过两次点击之间的典型时间,就会有一个很好的警告,即跳跃即将发生。”

这一警告使研究人员能够更详细地研究跳跃。当他们看到这个短暂的暂停时,他们关闭了驱动过渡的光子输入。令人惊讶的是,即使没有光子驱动它,仍然会发生向黑暗状态的转变 - 就好像在短暂的暂停停止时,命运已经固定。因此,尽管跳跃本身是随机出现的,但它的方法也存在确定性。

随着光子关闭,研究人员以细粒度的时间分辨率放大了跳跃,看它展开。它是否会瞬间发生 - 波尔和海森堡的突然量子跳跃?或者它是否顺利发生,正如薛定谔坚持认为必须的那样?如果是这样,怎么样?

该团队发现跳跃实际上是渐进式的。这是因为,即使直接观察可以将系统仅显示为处于一种状态或另一种状态,但在量子跳跃期间,系统处于这两种最终状态的叠加或混合。随着跳跃的进行,直接测量将越来越可能产生最终状态而不是初始状态。

这有点像我们的决定随着时间的推移而演变的方式。你只能留在派对上或离开它 - 这是一个二元选择 - 但随着晚上的消磨而你感到疲倦,“你是留下还是离开?”的问题越来越有可能得到答案“我要离开“。

耶鲁团队开发的技术揭示了量子跳跃期间系统的思维方式的变化。使用称为层析成像重建的方法,研究人员可以计算出叠加中暗态和基态的相对权重。他们看到这些重量在几微秒的时间内逐渐变化。这很快,但肯定不是即时的。

更重要的是,这个电子系统是如此之快,以至于研究人员可以“捕捉”两种状态之间的切换,然后通过向腔体发送光子脉冲以将系统恢复到黑暗状态来反转它。他们可以说服系统改变主意,毕竟留在聚会上。

洞察力的闪光

实验表明,量子跳跃“如果我们足够仔细观察,确实不是瞬间发生的,”奥利弗说,“而是连贯的过程”,随着时间的推移而展开的真实物理事件。

“跳跃”的渐进性正是量子理论的一种形式——量子轨迹理论所预测的,量子轨迹理论可以这样描述单个事件。德国亚琛大学量子信息专家戴维?迪夫隆佐说,“令人放心的是,这个理论与我们所看到的完全吻合,但它是一个微妙的理论,我们还远没有完全理解它。”

Devoret说,在量子跳跃发生之前预测它们的可能性,使它们有点像火山爆发。每次喷发的发生都是无法预测的,但是通过观察火山爆发前异常平静的一段时间,就可以预测到一些大型火山的爆发。他说:“据我们所知,这个(量子跃迁的)前兆信号以前从未被提出或测量过。”

Devoret说,发现量子跳跃前体的能力可能会在量子传感技术中得到应用。例如,“在原子钟测量中,人们想要同步时钟到原子的跃迁频率,这可以作为参考,”他说。但是,如果您能够在开始时就检测到转换是否即将发生,而不是等待转换完成,那么从长远来看,同步将会更快,因此更加精确。

迪夫隆佐认为,这项工作还可能在量子计算的误差校正方面找到应用,尽管他认为这“非常遥远”。迪夫莫佐说:“要达到处理这种误差所需要的控制水平,就需要对测量数据进行详尽的收集,就像粒子物理学中数据密集的情况一样。”

然而,这一结果的真正价值并不在于任何实际利益,问题在于我们对量子世界的工作原理了解多少。是的,它是随机拍摄的——但不,它没有被瞬间的抖动打断。薛定谔是对的,也是错的。

相关阅读
  • 【量子力学视频】量子力学的测不准原理是个啥?通俗的给你解释一遍!

    【量子力学视频】量子力学的测不准原理是个啥?通俗的给你解释一遍!

    2020-05-05

    接触过量子力学的人都知道,量子力学中有一个怪异的现象,那就是测不准原理。好吧,这其实是当初翻译时的误解,确切的来说应该是不确定性原理,是由海森堡首先提出的。不确定性原理准确的来说,就是微观粒子的动量和位置不能同时测量到。

  • 【不要自学量子力学】自学物理学原理的神经网络可以帮助解决量子力学的奥秘

    【不要自学量子力学】自学物理学原理的神经网络可以帮助解决量子力学的奥秘

    2020-05-05

    天文学家花了几个世纪才弄清楚。但是现在,受大脑启发的机器学习算法已经得出结论,它应该根据太阳和火星的运动如何从地球上出现,将太阳置于太阳系的中心。这一壮举是这项技术的第一个测试,研究人员希望他们可以通过发现大数据集中的模式来发现新的物理定律

  • 【招财龟能长多大】招财龟有什么特征 长相最奇特

    【招财龟能长多大】招财龟有什么特征 长相最奇特

    2020-05-05

    头部大小适中,无法缩入壳内。眼睛的后方有一条灰色的条纹。鼻子丰厚多肉,并且很长,形同猪鼻。四肢为了适应水生生活而特化为鳍状,也不能缩入壳中。在每一侧前肢的近中点处都有两枚明显的爪甲,亦为其特征之一。尾部偏短,背面覆盖着一列新月型的鳞片,这些鳞片从尾巴的基部至尖端逐渐缩小。尾部下方的两侧长有明显的皮肤皱褶。