一个伟大的飞跃是一个快速渐进的过程
量子力学在一个世纪前首次成长成为懂得原子标准世界的理论时，它的一个要害概念是如斯激进，勇敢和反直觉，以至于它酿成了风行说话：“量子飞跃”。纯粹主义者或者会否决，将这个术语应用于重大转变的常见习惯，忽略了两个量子态之间的跳跃平日是微小的这一点，这恰是为什么它们没有更早被注重到的原因。但真正的问题是它们是倏忽发生的。事实上，量子力学的很多前驱都认为它们是瞬间发生的。
一项新的实验表明，事实并非如斯。经由建造一种量子跃迁的高速片子，该作品揭示了这个过程就像一个雪人在阳光下融化一般渐进。耶鲁大学的Michel Devoret说:“若是我们可以快速有效地测量量子跃进，这实际上是一个持续的过程。”这项研究由德沃雷特实验室的研究生兹拉特科米内夫牵头，于周一揭橥在《天然》杂志上。同事们已经很兴奋了。“这真是一个巧妙的实验，”麻省理工学院的物理学家威廉·奥利弗说
但还有更多。经由他们的高速监控系统，研究人员能够发现量子跃迁即将显现的时间，“捕获”到一半，并将其逆转，让系统回到起头时的状况。如许，在量子前驱看来，物理世界中弗成避免的随机性，如今被证实是能够掌握的。我们能够掌握量子。太随机了
20世纪20年月中期，尼尔斯·玻尔、维尔纳·海森堡和他们的同事们在一幅如今平日被称为哥本哈根注释的图中，阐述了量子理论的焦点支柱是量子跳跃的瞬时性。玻尔早些时候曾指出，原子中的电子的能量状况是“量化的”:只有特定的能量能够被它们行使，而它们之间的所有能量都是被禁止的。他提出电子经由接收或发射光子量子粒子来改变能量，光子的能量与许可电子状况之间的间隙相成家。这就注释了为什么原子和分子会接收并发射出非常特别的波长的光——好比，为什么很多铜盐是蓝色的，而钠灯是..的。
量子跳跃并不是物理学的内涵问题，而是与哲学和人类常识的关系之一。
波尔和海森堡在20世纪20年月起头研究这些量子现象的数学理论。海森堡的量子力学列举了所有许可的量子态，并隐含地假设它们之间的跳跃是瞬间的—不一连的，正如数学家所说的那样。“瞬间量子跳跃的概念......成为哥本哈根注释的根基概念，”科学汗青学家马拉贝勒写道。
量子力学的另一位巨匠、奥地利物理学家薛定谔不喜欢这个设法。他设计了一种乍一看似乎能够替代海森堡的离散量子态和量子态之间瞬间跳跃的数学方式。薛定谔的理论以波函数的形式来描述量子粒子，这种波函数只会跟着时间的推移而平稳而一连地转变，就像公海上平缓的波动一般。薛定谔认为，实际世界中的事物不会在零时间内倏忽发生转变——不一连的“量子跳跃”只是心灵的捏造。1952年的一篇论文《量子跳跃存在吗?》薛定谔斩钉截铁地回覆说:“不是。”他的气愤显而易见，他称这些工资“量子混蛋”。
计较不光仅是关于薛定谔对瞬时转变的不适。量子跃迁的问题还在于，据说它只是发生在一个随机的时刻，而没有解说为什么会发生在谁人特定的时刻。是以，这是一种没有原因的究竟，一种插入天然之心的显着随机性的实例。薛定谔和他的亲密同伙阿尔伯特·爱因斯坦不克接管在最根基的实际层面上主宰一切的机会和弗成展望性。凭据德国物理学家马克斯·波恩的说法，整个争议“与其说是物理学的内部问题，不如说是它与哲学和一样人类常识的关系之一”。换句话说，有好多事情取决于量子跳跃的实际(或非实际)。
看不见
为了进一步商量，我们需要一次看到一个量子跳跃。1986年，三个研究小组申报说， 它们发生在被电磁场悬浮在空间中的单个原子中。原子在一个“通亮”状况和一个“阴郁”状况之间翻转，在这个状况下，它们能够发出光子，在一个状况或许另一个状况，在十分之几秒之间。然后再跳几秒钟。从那今后，在各类系统中已经看到了这种跳跃，局限从量子态之间的光子切换到在量子化磁态之间跳跃的固体材估中的原子。2007年，法国的一个团队申报的跳跃对应于他们所谓的“个别光子的降生，生死”。
在这些实验中，跳跃的确看起来是倏忽和随机的，因为量子系统受到监控，何时会发生，也没有任何干于跳跃看起来像的具体图片。比拟之下，耶鲁团队的设置让他们可以展望跳跃何时到来，然后放大接近搜检它。实验的要害是可以收集关于它的所有可用信息，以便在测量之前不会泄露到情况中。只有如许，他们才能按照如许的细节进行单跳。
研究人员使用的量子系统弘远于原子，由超导材料制成的导线构成 - 有时称为“人造原子”，因为它们具有雷同于真实原子中电子态的离散量子能态。能量状况之间的跳跃能够经由接收或发射光子来诱导，就像原子中的电子一般。
Devoret和他的同事想要视察单小我工原子在最低能量(基态)和能量激发态之间的跳跃。但他们不克直接监测这种改变，因为在量子系统长进行测量会损坏波函数的相关性——它的圆滑波状行为——而量子行为恰是依靠于这种相关性。为了视察量子跃迁，研究人员必需连结这种一致性。不然，它们会“折叠”波函数，使人造原子处于一种或另一种状况。薛定谔的猫就是一个有名的例子。据说，薛定谔的猫处于活态和死态的相关量子“叠加”中，但当被视察到时，它只会酿成个中之一。
为认识决这个问题，Devoret及其同事采用了一个涉及第二个兴奋状况的巧技术巧。系统能够经由接收分歧能量的光子从基态达到该第二状况。研究人员以一种只敷陈他们系统是否处于第二个“通亮”状况的体式探测系统，因为它是能够看到的状况而得名。研究人员实际上寻找量子跃迁的状况同时也是“阴郁”状况 - 因为它仍然是直接视察的隐藏。
研究人员将超导电路放置在一个光学腔（一个能够反射准确波长的光子的腔室）中，如许，若是系统处于通亮状况，光在腔内散射的体式就会发生转变。每当亮状况经由发射光子衰变时，探测器发出的旌旗雷同于盖革计数器的“咔哒声”。
Oliver说，要害在于测量供应了有关系统状况的信息，而无需直接扣问该状况。实际上，它扣问系统是否配合处于地面和阴郁状况。这种恍惚性对于在这两种状况之间的跳跃时代连结量子相关性是至关主要的。在这方面，奥利弗说，耶鲁大学所使用的方案与量子较量机顶用于纠错的方案亲切相关。在那边，有需要获得有关量子比特的信息而不损坏量子较量所依靠的一致性。同样，这是经由不直接查察所商议的量子位但探测耦合到它的辅助状况来完成的。
该策略揭示量子测量不是关于探测器引起的物理扰动，而是关于你所知道的（以及你未知的器材）。“没有事件能够带来与其存在一般多的信息，”Devoret说。他把它与夏洛克·福尔摩斯的故事进行了对照，在这个故事中，侦察从“好奇事件”中揣摩出一条主要线索，个中一只狗在夜间没有做任何事情。借用与狗相关的分歧（但经常搅浑）的霍姆斯故事，Devoret称之为“Baskerville的猎犬碰见Schrdinger的猫”。抓住一个跳跃
耶鲁大学的研究小组看到了探测器发出的一系列咔嗒声，每个咔哒声都透露亮状况的衰减，平日每隔几微秒达到一次。这个点击流大约每隔几百微秒被休止，显然是随机的休止，没有点击。然后在平日100微秒摆布的时间段后，点击恢复。在谁人静默的时间里，系统或者已经履历了向阴郁状况的过渡，因为这是独一能够防止在地面和通亮状况之间往返翻转的器材。
是以，在这些从“点击”到“无点击”状况的开关中，各个量子跳跃就像在早期关于被困原子等的实验中看到的那样。然而，在这种情形下，Devoret及其同事能够看到新的器材。
在每次跳到阴郁状况之前，平日会有一个短暂的咒语，点击似乎暂停：暂停作为即将跳跃的预兆。Devoret说：“一旦非点击时段的长度显着跨越两次点击之间的典型时间，就会有一个很好的警告，即跳跃即将发生。”
这一警告使研究人员可以更具体地研究跳跃。当他们看到这个短暂的暂停时，他们封闭了驱动过渡的光子输入。令人诧异的是，即使没有光子驱动它，仍然会发生向阴郁状况的改变 - 就似乎在短暂的暂停住手时，命运已经固定。是以，尽管跳跃自己是随机显现的，但它的方式也存在确定性。
跟着光子封闭，研究人员以细粒度的时间差别率放大了跳跃，看它睁开。它是否会瞬间发生 - 波尔和海森堡的倏忽量子跳跃？或许它是否顺利发生，正如薛定谔对峙认为必需的那样？若是是如许，怎么样？
该团队发现跳跃实际上是渐进式的。这是因为，即使直接视察能够将系统仅显露为处于一种状况或另一种状况，但在量子跳跃时代，系统处于这两种最终状况的叠加或夹杂。跟着跳跃的进行，直接测量将越来越或者发生最终状况而不是初始状况。这有点像我们的决意跟着时间的推移而演变的体式。你只能留在派对上或脱离它 - 这是一个二元选择 - 但跟着晚上的消磨而你感应疲倦，“你是留下照样脱离？”的问题越来越有或者获得谜底“我要脱离“。
耶鲁团队斥地的手艺揭示了量子跳跃时代系统的脑筋体式的转变。使用称为层析成像重建的方式，研究人员能够较量出叠加中暗态和基态的相对权重。他们看到这些重量在几微秒的时间内逐渐转变。这很快，但一定不是即时的。
更主要的是，这个电子系统是如斯之快，以至于研究人员能够“捕获”两种状况之间的切换，然后经由向腔体发送光子脉冲以将系统恢复到阴郁状况来回转它。他们能够说服系统改变主意，究竟留在集会上。洞察力的闪光
实验表明，量子跳跃“若是我们充沛细心视察，的确不是瞬间发生的，”奥利弗说，“而是连贯的过程”，跟着时间的推移而睁开的真实物理事件。
“跳跃”的渐进性恰是量子理论的一种形式——量子轨迹理论所展望的，量子轨迹理论能够如许描述单个事件。德国亚琛大学量子信息专家戴维?迪夫隆佐说，“令人宁神的是，这个理论与我们所看到的完全吻合，但它是一个微妙的理论，我们还远没有完全懂得它。”
Devoret说，在量子跳跃发生之前展望它们的或者性，使它们有点像火山爆发。每次喷发的发生都是无法展望的，然则经由视察火山爆发前非常平静的一段时间，就能够展望到一些大型火山的爆发。他说:“据我们所知，这个(量子跃迁的)前兆旌旗以前从未被提出或测量过。”
Devoret说，发现量子跳跃前体的能力或者会在量子传感手艺中获得应用。例如，“在原子钟测量中，人们想要同步时钟到原子的跃迁频率，这能够作为参考，”他说。然则，若是您可以在起头时就检测到转换是否即将发生，而不是守候转换完成，那么从久远来看，同步将会更快，是以加倍正确。
迪夫隆佐认为，这项工作还或者在量子较量的误差校正方面找到应用，尽管他认为这“非常遥远”。迪夫莫佐说:“要达四处理这种误差所需要的掌握水平，就需要对测量数据进行详尽的收集，就像粒子物理学中数据密集的情形一般。”
然而，这一究竟的真正价格并不在于任何实际好处，问题在于我们对量子世界的工作道理认识几多。是的，它是随机拍摄的——但不，它没有被瞬间的发抖打断。薛定谔是对的，也是错的。
