物理学家终于找到了一种拯救薛定谔猫的方法

作者: 玺子有喜

来源: 原理

发布日期: 2019-06-04

研究人员通过预测和实时行动,成功挽救了象征量子叠加和不可预测性的薛定谔猫,推翻了量子物理学的一个基石。他们发现量子跃迁并非瞬间完成,且存在预警信号,这使得逆转跃迁成为可能,为量子计算机的研究带来了新的希望。

如何抓住并拯救薛定谔的那只著名的猫?最近,研究人员通过预测猫的“跳跃”以及对它采取“实时行动”,将这只象征着量子叠加和不可预测性的猫从那场众所周知的厄运中挽救了出来。在这个过程中,他们推翻了多年以来量子物理学的一个基石。

在物理学中,薛定谔猫是一个非常著名的悖论,它描述的是量子力学中叠加的概念(即两种对立状态可以同时存在的能力)和不可预测性。

在这个著名的思想实验中,一只猫被放在一个密封的盒子里,盒子里装有一份放射性物质和一份毒药,如果放射性物质中的任何一个原子发生衰变,就会触发毒药,猫就会死亡。根据量子物理学的叠加理论,在盒子被打开之前,猫会一直处于一种不确定的叠加态,它既是死的又同时是活的。只有在打开盒子的一瞬间,对猫进行的观测才会导致它的量子态发生突然地随机变化,迫使它要么死、要么活。

在一项刊登在《自然》期刊的新研究中,物理学家使用过冷电路来模拟一个具有多能级的原子,这种人工原子包含量子信息。研究人员惊讶地发现,决定了生与死的量子跃迁,竟然并不是在瞬间完成的。在出现跃迁之前,它甚至还存在一个提前的警告信号。这一结果使得研究人员能够逆转这一过程——将死亡的猫咪救活!这不仅对薛定谔的那只可怜的小猫是个好消息,对从事量子计算机研究的物理学家来说也是如此。

这项实验是由论文的第一作者Zlatko Minev提出的,他之所以会提出这一实验,是因为受到了奥克兰大学的Howard Carmichael教授的启发。

Carmichael是现代量子轨迹理论的先驱,也是这项研究的一名合著者,根据他的一个理论预测:在跃迁中,系统的状态不仅会连续的在基态和激发态之间连续演化,而且在跃迁发生之前还存在一个“潜伏期”,也就是一个辅助能级,它会为即将发生的跃迁提供一个警告信号。

这是首次对量子跃迁的实际原理进行深入研究,并且得到了令人惊叹的意外结果,他们的发现意味着量子跃迁既不突然,也不随机,每一个跃迁都具有连续且确定的演化,这与玻尔的既定观点是相矛盾的。

据作者介绍,这个实验所展现出的一个美好的效应是量子相关性在跃迁过程中得到了增强。我们不仅可以利用它来捕捉跃迁,还可以逆转跃迁。研究人员认为这是非常关键的一点。虽然从长远角度来看,量子跃迁看起来的确是离散且随机的,但逆转量子跃迁则意味着量子态的演化在一定程度上是具有确定性的;它总是以相同的、可预测的方式发生于一个随机的起点。

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