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量子跃迁预测:未来或可用于量子传感技术

耶鲁科学家验证量子跃迁确属连续过程,并成功开发量子跃迁预测机制


  来源: DeepTech深科技 时间:2019-06-17 编辑:伊敏
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描述微观世界的量子力学在约一个世纪前刚问世那会,代表着一些与经典理论完全相悖的,被当时的物理学家们称为是“激进”的反直觉思想,其中相当著名的一个便是“量子跃迁(Quantum Leap)”,即一个量子系统在两个量子态间的转换过程。

虽然有部分较为纯粹的物理学家认为这个词存在歧义,但由于粒子在两个量子态间转换的过程中所需的能量极少,此前包括很多量子领域先驱人物在内的物理学家都曾一度将这一过程默认为是“瞬间发生的”。

然而就在最近,一项由耶鲁大学主导的新研究表明,量子跃迁其实是一个如快放电影般的连续过程,而不是人们此前所想的那种“瞬间发生”的非连续事件。研究由耶鲁大学纳米级应用物理实验室主管,Michel Devoret 的学生 Zlatko Minev 领导,结果已于近日发表在 Nature 杂志上。

在研究中,研究人员通过特制的高速监测系统,成功捕捉到了量子跃迁将要发生的起始时间,并以此在量子跃迁进行到一半的时候人为逆转量子态的转换过程,使系统恢复到其初始态,实现了对此前被认为是“不可避免且完全随机”的量子态转换过程的量化操控。


图丨量子跃迁是一个极快的渐进过程。(来源:Quanta Magazine,qoncha)


离散与随机

量子物理学家马克思波恩(Max Born)曾表示:“量子跃迁,表面上看是一个物理学问题,其实却是一个与人类认知相关的哲学问题。”

量子跃迁的“瞬发性”最早由包括尼尔斯波尔(Niels Bohr)和沃纳海森堡(Werner Heisenberg)等早期量子物理学家于上世纪 20 年代提出,是哥本哈根学派量子力学理论的核心支柱之一。

波尔认为,原子中每个电子的能级都是“量子化的”(quantized,此处可以近似理解为是“量化的”,因为量子化本身指的其实是一个 quanta 对应一个特定的能量值),因此电子能级跃迁所需的能量也是“量子化”的,仅有当入射能量的大小等于特定的值时电子的能级跃迁才会发生,他提出,这一过程能由“电子吸收和放出携带合适大小能量的光子”来完成,并以此解释了不同原子的吸收和放射光谱会呈现出不同特征(即吸收和放射的光线的波长差异)。

波尔和海森堡于上世纪20 年代起开始着手研究粒子量子行为背后的数学原理。其中,海森堡所建的模型能够计算出一个粒子的所有“可被允许的”量子态,但把这些量子态间的转换假设为了一种非连续的离散过程,并由此引出了根本哈根学派基本假设之一的“量子跃迁”概念。

但埃尔温薛定谔(Erwin Schrödinger)对此并不赞同,并于后来对此提出了用于连续地量化描述粒子状态的薛定谔方程(也就是波函数或波方程)。

具有连续性的波函数实质上可以被看作是海森堡离散量子态模型的一个替代模型,在物理上表示一个量子系统所处的状态,而其波状外形也会随时间的推移而发生连续性的变化(就好比是海面上的波浪)。薛定谔认为,由于当时间等于零时他模型中并没有体现出海森堡模型中的“瞬间转换”,“量子跃迁”在现实中其实并不存在。

事实上,“量子跃迁”的问题还仅限于它的“不连续性”,其发生的时间在海森堡模型中也被认为是“完全随机”的,即海森堡模型能解释为何量子跃迁要在某一特定时刻发生,认为这是现实的一种内置随机性。

这一观点遭到了薛定谔和爱因斯坦的反对,认为这种基于随机性的宇宙是荒谬的,而“量子跃迁”问题也因此从一个物理问题因此上升成了一个哲学问题。

绕开观测难题

1986 年,有三个团队最早观测到了单个原子的量子态转换,具体来说,是被电磁场悬浮于空中的单个原子在“明”(可放出光子)与“暗”(不可放出光子)两个态间的转换。

在观测中,原子会在一个状态下维持十几分之一秒到数秒,然后发生“跃迁”转换为另一种状态。此后,也陆陆续续也有很多别的团队观测到了这种转换,而在所有这些实验中,这种量子态间的转换过程在对量子系统的监控过程中看起来的确像是完全随机和突然的,但此次耶鲁大学的新实验在观测设定上通过尽可能的利用可获取的信息并确保这些信息不会在系统被测量前被泄露,使科学家能密切跟踪单次量子态转换过程,并预测出每次转换将会于何时发生。

具体来说,此次研究中所使用的量子系统是一个远大于单个原子,由超导材料导线所制成的“人造原子”,这种人造原子具有与真实原子中电子能级相似的量子态,能通过吸收或发射光子来完成在不同量子态间的转换。


关键词:量子力学 高速监测系统    浏览量:3693

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