量子跃迁的新观点挑战物理学的核心原则

量子力学是在很小的尺度上描述宇宙物理的理论，以违反常识而臭名昭著。例如，考虑一下该理论的标准解释表明变化发生在量子草皮中的方式：从一种状态转移到另一种状态据认为是不可预测的且瞬间发生的。换句话说，如果我们熟悉的世界中发生的事件与原子中发生的事件相似，我们将期望常规地将面糊变成完全烘焙的蛋糕，而无需经过任何中间步骤。当然，每天的经验告诉我们，情况并非如此，但是对于难以接近的微观领域，这种“量子跃迁”的真实本质一直是物理学中尚未解决的主要问题。

然而，近几十年来，技术进步使物理学家可以在精心安排的实验室环境中更紧密地探究这个问题。可以说，最根本的突破是在1986年，当时研究人员首次通过实验验证了量子跃变是可以观察和研究的实际物理事件。从那时起，稳定的技术进步为神秘现象打开了更深的视野。值得注意的是，2019年发布的一项实验证明了量子跃变一旦开始就可以预测地逐渐移动，甚至可以在中途停止，从而颠覆了传统的量子跃变观点。

在耶鲁大学进行的那个实验使用了一种设置，该设置使研究人员可以以最小的入侵量监视过渡。每次跳跃都发生在超导量子位的两个能量值之间，这是一个模仿原子特性的微型电路。研究团队使用了当系统具有较低能量时在电路中发生的“副活动”的测量结果。这有点像只听某些关键字就知道哪个节目正在另一个房间的电视上播放。这种间接探针规避了量子实验中最重要的问题之一，即如何避免影响人们正在观察的整个系统。这些测量结果被称为“滴答声”（根据旧的Geiger计数器在检测放射性时发出的声音），显示出一个重要的特性：跃升至更高的能量之前，总是先停止“关键词”，停止副活动。这最终使团队可以预测跳跃的进行，甚至可以随意阻止跳跃。

现在，一项新的理论研究更深入地探讨了关于跳跃的内容和时间。结果发现，这种看似简单而基本的现象实际上相当复杂。

这项新研究发表在《物理评论研究》（Physical Review Research）上，对量子跃迁的从摇篮到坟墓的逐步演化进行了建模-从系统的初始低能态（称为基态），到第二个态，它具有更高的能量，称为激发态，最后转变回基态。该模型表明，可预测的，“可捕获的”量子跃迁必须具有不可捕获的对应跃迁，作者，现任德国卡尔斯鲁厄技术学院的博士后研究员Kyrylo Snizhko说。被执行了。

具体来说，研究人员所说的“不可捕获”意味着跳回到基态并不总是那么平稳和可预测的。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的连接程度（量子域的另一特性，在这种情况下，与测量的时标有关，而与测量的时标有关）过渡）。这种连接可能很弱，在这种情况下，也可以通过Yabit实验所用的方法，通过暂停qubit副活动的咔嗒声来预测量子跃迁。

该系统通过经历激发态和基态的混合而转变，这种量子现象被称为叠加。但是有时，当连接超过某个阈值时，此叠加将朝混合物的特定值移动，并倾向于保持在该状态，直到它未事先通知就移至地面为止。在这种特殊情况下，“这种概率性的量子跃迁是无法预测的，并且无法逆转中途飞行，”魏兹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，即使是最初可预测时间的跳跃也会跟随着固有的不可预测的跳跃。

但是在检查最初可捕捉的跳跃时还有更多细微差别。斯尼日科说，即使这些也具有不可预测的因素。可捕获的量子跃变将始终通过激发态和基态的叠加按“轨迹”进行，但是无法保证跃变将永远结束。斯尼日科说：“在轨迹的每个点上，都有可能继续跳跃，并且有可能被投射回到基态。” “因此跳跃可能开始发生，然后突然被取消。轨迹是完全确定的，但是系统是否会完成轨迹是不可预测的。”

这种行为出现在耶鲁大学的实验结果中。这项工作背后的科学家称这种可捕捉的跳跃为“充满不确定性的海洋中的可预测性岛”。哥伦比亚大学的博士后研究员RicardoGutiérrez-Jáuregui是该研究的作者之一，他指出：“这项工作的美妙之处在于，它显示出在没有点击声的情况下，系统遵循了到达兴奋状态的预定路径。在很短但非零的时间内。但是，当系统通过此路径转换时，该设备仍有机会“点击”，从而中断其转换。”

IBM托马斯·J·沃森研究中心的研究员，早期耶鲁研究的主要作者兹拉特科·米涅夫（Zlatko Minev）指出，新的理论论文“推导了非常好的，简单的模型，并解释了量子比特现象下的量子跃迁现象”。取决于实验参数。”与耶鲁大学的实验一起，结果“表明，量子力学中关于离散性，随机性和可预测性的故事比人们普遍认为的要多。”特别是，量子跃迁的令人惊讶的细微变化行为（可以预言从基态跃迁到激发态的跃迁）建议了量子世界固有的可预测性，这是前所未有的。如果尚未通过实验验证，甚至有人认为它是禁止的。当Minev首次与小组成员讨论可预测的量子跃变的可能性时，一位同事大喊：“如果这是真的，那么量子物理学就被打破了！”

“最后，我们的实验成功了，从中可以推断出量子跃迁是随机的和离散的，” Minev说。 “但是，在更短的时间范围内，它们的演变是连贯和连续的。这两个看似对立的观点并存。”

至于这样的过程是否可以应用于整个物质世界，例如，应用于量子实验室之外的原子，库马尔还不确定，很大程度上是因为研究条件的具体程度。他说：“概括我们的结果将很有趣。”如果对于不同的测量设置结果相似，则这种行为（某种意义上既是随机的又是可预测的，离散而又连续的事件）可能反映了量子世界的更一般特性。

同时，该研究的预测可能会很快得到验证。魏兹曼研究所的研究员Serge Rosenblum并未参加任何一项研究，据他介绍，这些效应可以在当今最先进的超导量子系统中观察到，并且在该研究所新的量子位实验室的实验清单中居高不下。 。他补充说：“令我惊讶的是，一个看似简单的系统（例如单个qubit）仍然可以掩盖这些惊喜。”

长期以来，人们认为几乎不可能探测到量子跃迁，这是自然界万物的最基本过程。但是技术进步正在改变这种状况。圣路易斯华盛顿大学副教授卡特·默奇（Kater Murch）并未参加这两项研究。他说：“我喜欢耶鲁大学的实验似乎激励了这一理论论文，它揭示了物理学问题的新方面，已经研究了数十年。在我看来，实验确实有助于推动理论家思考事物的方式，从而带来新的发现。”

不过，这个谜团可能不仅会消失。 正如斯尼日科所说：“我认为，量子跳跃问题不会在短期内得到彻底解决。 它在量子理论中根深蒂固。 但是通过玩各种不同的测量和跳跃，我们可能会发现一些实际有用的东西。”