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我想象一下,如果我们所有的科学理论和模型都只告诉我们平均值:如果最好的天气预报只能给出下个月的平均每日降雨量,或者天文学家只能预测日食之间的平均时间。
在量子力学的早期,这似乎是它不可避免的局限性:它是一种概率论,只告诉我们如果我们收集许多事件或粒子的记录,我们将平均观察到什么。埃尔文·薛定谔(Erwin Schrödinger)的同名方程规定了量子物体的行为方式,对他来说,考虑特定原子或电子实时做事情是完全没有意义的。“公平地说,”他在1952年写道,“我们没有做实验单颗粒…我们正在审查事件发生很久之后的记录。”换句话说,量子力学似乎只适用于许多粒子的“集合”。“当集合足够大时,就有可能获得足够的统计数据来检查预测是否正确,”他说米歇尔·德弗雷特,耶鲁大学物理学家。
但还有另一种方法来表述量子力学,这样它就可以讨论单个量子系统中发生的单个事件。它被称为量子轨道理论(QTT),它与量子力学的标准形式主义完全兼容——它实际上只是量子行为的一个更详细的观点。在计算了许多事件的平均值之后,可以在长时间内恢复标准描述。
作为对薛定谔悲观观点的直接挑战,“QTT精确地处理单个粒子和正在发生的事件,”他说兹拉特科·米涅夫,谁完成了他的博士学位在耶鲁大学的Devoret实验室。通过将QTT应用于量子电路实验,Minev和他的同事最近能够捕捉“量子飞跃”-随着时间的推移,在两种量子能量状态之间的切换。他们还实现了非凡的壮举,在飞行途中抓住了这样的跳跃并将其逆转。
Devoret说:“量子轨道理论做出的预测是用标准公式无法实现的。”。特别是,它可以预测单个量子物体(如粒子)在被观测时的行为,也就是说,在对其进行测量时的行为。
薛定谔方程无法做到这一点。它完美地预测了如果我们不测量一个物体,它将如何随时间演化。但是,加上测量,你能从薛定谔方程中得到的只是预测你在多次测量中平均会看到什么,而不是任何单个系统会做什么。例如,它不会告诉你从一个单独的量子跳跃中会发生什么。
测量使薛定谔方程偏离正轨,因为有一种特殊现象叫做量子反作用量子测量影响被观测系统:观测行为向系统注入一种随机噪声。这最终是海森堡著名的测不准原理的来源。测量中的不确定性并不像海森堡最初认为的那样,是对精细量子系统笨拙干预的结果,比如光子撞击粒子并将其推离轨道。相反,这是观察本身固有的随机效应不可避免的结果。薛定谔方程在预测量子系统如何演化方面做得很好,除非你测量它,在这种情况下,结果是不可预测的。
Devoret说,量子反作用可以被认为是系统和测量仪器之间的不完美对齐,因为只有看了才知道系统是什么样的。他把它比作用望远镜观察行星。如果行星不在望远镜框架的中心,图像就会模糊。
然而,QTT可以考虑回击。关键是,要应用QTT,您需要对正在观察的系统的行为有近乎完整的了解。通常,对量子系统的观察忽略了许多潜在的可用信息:例如,一些发射的光子在其环境中丢失了。但是,如果几乎所有的东西都经过测量,并且知道了系统的情况,包括反作用的随机后果,那么你可以在测量仪器中建立反馈,从而进行持续调整,以补偿反作用。这相当于调整望远镜的方向以使行星保持在中心位置。
为了实现这一点,测量仪器必须以比系统发生重大变化的速度更快的速度收集数据,并且必须以近乎完美的效率进行。Devoret说:“基本上,所有离开系统并被环境吸收的信息都必须通过测量仪器并被记录下来。”。在天文学类比中,行星只能由天文台发出的光照亮,而天文台也会以某种方式收集所有重新发射的光。
实现这种程度的控制和信息捕获是非常具有挑战性的。这就是为什么,尽管QTT已经存在了几十年,“我们只能在过去五年内对其进行实验测试,”他说威廉·奥利弗麻省理工学院。Minev开发了创新技术,以确保量子测量效率高达91%,“这项关键技术的发展使我们能够将预测转化为可验证、可实施的实验,”他说。
Devoret说,通过这些创新,“考虑到系统最近的历史,可以随时了解系统的位置,即使运动的某些特征在长期内无法预测。”。更重要的是,这种关于系统如何随时间平稳变化的近乎完整的知识使研究人员能够“倒带”,避免标准量子形式主义中明显不可逆的“波函数崩溃”。这就是研究人员如何在飞行中逆转量子跃迁的方法。
QTT的预测和实验结果之间的极好的一致性表明,除了理论适用于单量子系统这一事实之外,还有更深层的东西。这意味着该理论所指的高度抽象的“量子轨道”(物理学家在20世纪90年代发明的术语)霍华德·卡迈克尔,耶鲁大学论文的合著者)是一个有意义的实体,用米涅夫的话来说,它“可以归因于一定程度的现实”。这与QTT首次引入时的普遍观点形成了鲜明对比,后者认为它只是一个数学工具,没有明确的物理意义。
但这条轨迹到底是什么呢?有一件事很清楚:它不像经典的轨迹,也就是在太空中的路径。它更像是通过系统可能具有的抽象状态空间的路径,这就是所谓的希尔伯特空间。在传统量子理论中,该路径由薛定谔方程的波函数描述。但至关重要的是,QTT还可以解决测量如何影响路径的问题,而薛定谔方程无法做到这一点。实际上,该理论使用了对系统迄今为止的行为方式的仔细而完整的观察,以预测其未来的行为。
你可以将其与预测单个空气分子的轨迹进行粗略的比较。薛定谔方程的作用有点像经典的扩散方程,它预测这样的粒子在经历碰撞时平均随时间移动的距离。但是QTT根据粒子已经经历过的碰撞的详细信息来预测特定粒子的去向。随机性仍在发挥作用:在这两种情况下,你都无法完全预测轨迹。但QTT将为您提供单个粒子的故事,以及了解其下一步可能走向的能力。
菲利普·鲍尔是伦敦作家。他的最新著作是如何培养一个人:我们是谁以及我们是如何成长的冒险
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