物理学家拯救了薛定谔的猫

2019.6.8 发布在 科学脑洞 栏目

物理学家拯救了薛定谔的猫 科学脑洞-第1张

奥地利物理学家欧文·薛定谔(Erwin Schrödinger)提出的著名思想实验“盒子里的猫”,是量子力学是量子力学基本特征的经典示例——在量子水平上,粒子行为是不可预测的。

但是,如果我们可以预测某些量子过程呢?物理学家团队认为这是可能的。在一项新研究里,他们已经证明了他们能够预测一种叫做量子跃迁的东西,甚至还可以在跳跃开始之后,扭转整个进程。

他们说,他们能够把薛定谔的猫抢救回来。

但首先快速回顾一下。

在一个盒子里有一只猫,以及少量放射性物质。之后,有50%的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气杀死这只猫,同时有50%的概率放射性物质不会衰变而猫将活下来。根据经典物理学,在盒子里必将发生这两个结果之一,而外部观测者只有打开盒子才能知道里面的结果。在量子的世界里,当盒子处于关闭状态,整个系统则一直保持不确定性的波态,即猫生死叠加。猫到底是死是活必须在盒子打开后,外部观测者观测时,物质以粒子形式表现后才能确定。——百科

思想实验的核心是被称为量子叠加态的特性,其中粒子(如原子,或电子,或光子)可以同时具有多个能级——直到你观察到它,它的状态才会坍缩成确定的点。一旦被观察到,它在能级之间突然地、随机式地跳跃就被称为量子跃迁。

现在,物理学家不仅可以预测、还可以操纵,人为地改变量子跃迁结果。由耶鲁大学领导的团队在被称为量子比特的人工原子上完成了实验,这些原子也被用作量子计算机中的基本信息单位。

每次去测量量子量子比特时,它都会执行能级跳跃。归根到底,它们都是不可预测的,而这可能会导致量子计算出现问题。

物理学家拯救了薛定谔的猫 科学脑洞-第2张

耶鲁大学的物理学家Zlatko Minev说:“我们想知道是否有可能在量子跃迁之前得到预警。”

该团队设计了间接观察超导量子比特的实验,其中用到3部微波发生器在铝制的密封3D外壳内照射量子比特。

微波辐射在量子比特切换能级,而另一束微波辐射用来监测外壳。当量子比特处于基态时,微波束产生光子。突然缺失光子意味着量子比特即将跃入激发态。

结果表明,量子跃迁并不是一个间断式的跳级;不是按一下就变的开关,或许,更像是有滑动过程的操纵杆。

因此,完美定时的辐射脉冲可以在检测到量子跃迁后将其打回原形,使量子位回到基态;或者,对薛定谔的猫来说,可以使死亡(激发态)的猫咪死而复生(基态)。

仍然存在长期的不可预测性;如研究人员无法准确预测量子跃迁何时发生。可能在五分钟后,也可能是五个小时。

但是一旦跃迁开始,它总是遵循相同的路径。该团队观察到超过680万次量子跃迁,模式是一致的。

“原子的量子跃迁有点类似于火山喷发,”Minev说,“从长远来看,它们完全无法预测。

“尽管如此,通过正确的监控,我们可以预见到即将发生的灾难,并在灾难发生前采取行动。”

该研究发表在《自然》上。

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