量子跃迁的新观点挑战了物理学的核心原理

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量子力学是一种在非常小的尺度上描述宇宙物理的理论，它因违背常识而臭名昭著。想想看，例如该理论的标准解释表明，变化发生在量子领域：从一种状态转移到另一种状态的过程被认为是不可预测的，而且是瞬间发生的。换句话说，如果在我们熟悉的世界里发生的事情与原子内部发生的事情类似，我们就可以预料到，不用经过任何中间步骤，面糊就会变成一个完全烤好的蛋糕。当然，日常经验告诉我们事实并非如此，但对于难以接近的微观领域，这种“量子跳跃”的真实本质在物理学中一直是一个主要的未解决的问题。

然而，近几十年来，技术的进步使得物理学家可以在精心安排的实验室环境中更仔细地探索这个问题。最根本的突破出现在1986年，当时研究人员第一次通过实验验证了量子跃迁是可以观察和研究的实际物理事件。从那以后，稳步的技术进步为这一神秘现象打开更深入的前景。值得注意的是，2019年发表的一项实验推翻了关于量子跃移的传统观点，该实验证明，量子跃移一旦开始，就可预测地逐渐移动——甚至可以中途停止。

这项在耶鲁大学进行的实验使用了一种设置，让研究人员以最小的跃迁来监控转换。每一次跃迁都发生在超导量子位的两个能量值之间。超导量子位是一种用来模拟原子特性的微型电路。研究小组测量了系统能量较低时在电路中发生的“侧活动”。这有点像只听特定的关键词，就能知道另一个房间的电视上正在播放哪个节目。这种间接探测回避了量子实验中最重要的问题之一，即如何避免影响正在观察的系统。这些测量被称为“滴答声”(来自老式盖革计数器在探测放射性时发出的声音)，它们揭示了一个重要的特性:在跃迁到更高能量之前，“关键字”总是会暂停，即侧边活动的暂停。这最终使研究小组能够预测跳跃的展开，甚至可以随意阻止跳跃。

现在，一项新的理论研究更深入地研究了什么可以说的跳跃和何时。它发现这个看似简单而又基本的现象实际上非常复杂。

发表在《物理评论研究》上的新研究，对量子跳跃的逐步、从出现到消逝的演化模型——从系统最初的低能量状态（称为地面状态）开始，然后是第二个能量更高的状态，称为兴奋状态，最后是过渡到地面状态。这种建模表明，可预测的”可捕获”量子跳跃必须有一个不可捕获的对应物，作者KyryloSnizhko说，他是德国卡尔斯鲁厄理工学院的博士后研究员，他以前在以色列魏茨曼科学研究所进行这项研究。

具体来说，研究人员所说的”不可催化”意味着，跳回地面状态并不总是平稳和可预测的。相反，研究结果表明，此类事件的演变取决于测量设备与系统之间的”连接”程度（量子领域的另一个特殊性，在这种情况下，它与测量的时间尺度有关，与过渡时间尺度相比）。连接可能是弱的，在这种情况下，量子跳跃也可以通过暂停从qubit的侧活动的点击，在耶鲁实验使用的方式。

系统通过兴奋状态和地态的混合来过渡，这是一种称为叠加的量子现象。但有时，当连接超过某个阈值时，该叠加将转向混合物的特定值，并倾向于保持该状态，直到它不事先通知地移动到地面。在特例中，”这种概率量子跳跃无法预测和逆转，”魏茨曼研究所的博士后研究员、最新研究的合著者帕尔文·库马尔解释道。换句话说，即使最初可以预测时间的跳跃，其后也会有本质上不可预知的跳跃。

但是，在检查最初可捕捉的跳跃时，还有更多的细微差别。斯尼日科说，即使这些拥有不可预知的元素。可捕获的量子跳跃将始终通过兴奋和地面状态的叠加进行”轨迹”，但不能保证跳跃会永远完成。斯尼日科说：”在轨迹的每个点，都有跳跃继续的概率，以及预测回地面状态的概率。”因此，跳跃可能会开始发生，然后突然被取消。轨迹是完全决定性的，但系统能否完成轨迹是不可预知的。

量子物理坏了！

IBM Thomas J. Watson 研究中心的研究员、耶鲁大学早期研究的主要作者兹拉特科·米内夫指出，新的理论论文”将量子跳跃现象的一个非常好、简单的模型和解释作为实验参数的函数”。结合耶鲁大学的实验，结果”表明量子力学的离散性、随机性和可预测性比人们通常认为的要多。具体来说，量子跳跃的异常细微行为——从地面状态跳到兴奋状态的方式——表明量子世界固有的可预测性，这是从未观察到的。有些人甚至会认为它是被禁止的，如果它还没有通过实验验证。当 Minev 首次与小组中的其他人讨论可预测量子跳跃的可能性时，一位同事回应道：”如果这是真的，那么量子物理学就崩溃了！

Minev说：”最终，我们的实验奏效了，从中可以推断出量子跳跃是随机的和离散的。”然而，在更精细的时间尺度上，它们的演变是连贯的和连续的。这两个看似对立的观点并存。

至于这些过程能否应用于整个物质世界——例如，量子实验室外的原子——库马尔尚未决定，这主要是因为研究的条件是多么具体。”概括我们的结果会很有趣，”他说。如果结果对不同的测量设置结果相似，那么这种行为——从某种意义上说，是随机的和可预测的、离散的、连续的——可以反映量子世界的更一般属性。

同时，这项研究的预测可能很快就会得到检查。据魏茨曼研究所的研究员谢尔盖·罗森布卢姆（Serge Rosenblum）说，这些效应可以用当今最先进的超导量子系统来观测，并且是该研究所新实验的一部分。量子实验室.他补充道：”一个看似简单的系统，如单个量子位，在测量时，仍然能隐藏出这样的惊喜，这让我非常吃惊。

长期以来，量子跳跃——自然界中一切最基本的过程——被认为几乎不可能被探测。但技术进步正在改变这一点。圣路易斯华盛顿大学副教授凯特·默奇（Kater Murch）没有参与这两项研究，他说：”我喜欢耶鲁实验似乎激发了这篇理论论文，该论文揭示了几十年来一直研究的物理问题的新方面。在我看来，实验确实有助于推动理论家思考事物的方式，这导致了新的发现。

不过，这个谜团可能不只是消失。正如Snizhko所说，”我不认为量子跳跃问题会很快完全解决;它在量子理论中根深蒂固。但是，通过玩不同的测量和跳跃，我们可能会偶然发现一些实际有用的东西。

作者：埃莱尼·佩特拉库

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