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物理学家可以预测薛定谔猫的跳跃

发布时间:2019-06-10 14:39:54 来源:

耶鲁大学的研究人员已经想出了如何捕捉和拯救薛定谔着名的猫,这是量子叠加和不可预测性的象征,通过预测它的跳跃并实时行动来拯救它免受众所周知的厄运。在这个过程中,他们推翻了量子物理学多年的基石教条。

这一发现使研究人员能够建立一个早期预警系统,用于即时跳跃含有量子信息的人造原子。宣布这一发现的研究发表在6月3日的“ 自然 ”杂志网络版上。

薛定谔的猫是一个众所周知的悖论,用于说明叠加的概念 - 两种相反状态同时存在的能力 - 以及量子物理学中的不可预测性。这个想法是将一只猫放在一个带有放射源和毒药的密封盒子里,如果放射性物质的原子衰变,它就会被触发。量子物理学的叠加理论表明,在有人打开盒子之前,猫既活着又死了,是状态的叠加。打开盒子观察猫会导致它突然改变其量子状态,迫使它死亡或活着。

量子跃迁是观察时状态的离散(非连续)和随机变化。

该实验在耶鲁大学教授米歇尔·德沃雷特(Michel Devoret)的实验室中进行,并由第一作者Zlatko Minev提出,这是第一次实现量子跃迁的实际运作。结果揭示了一个令人惊讶的发现,这与丹麦物理学家尼尔斯玻尔的既定观点相矛盾 - 跳跃既不突然也不像以前认为的那样随意。

对于诸如电子,分子或含有量子信息的人造原子(称为量子位)这样的微小物体,量子跃迁是从其离散能量状态之一到另一个能量状态的突然过渡。在开发量子计算机时,研究人员必须处理量子比特的跳跃,这是计算误差的表现。

一个世纪以前,波尔将理论上的量子跃迁理论化,但直到20世纪80年代才在原子中观察到。

“每次测量量子位时都会出现这些跳跃,”耶鲁大学应用物理与物理学教授,耶鲁大学量子研究所成员Devoret说。“从长远来看,众所周知,量子跃变是不可预测的。”

“尽管如此,”Minev补充说,“我们想知道是否有可能获得一个预警信号,即即将发生跳跃。”

Minev指出,该实验的灵感来自奥克兰大学的Howard Carmichael教授的理论预测,他是量子轨迹理论的先驱,也是该研究的共同作者。

除了其基本影响之外,该发现还是理解和控制量子信息的潜在重大进步。研究人员表示,可靠地管理量子数据并在发生错误时纠正错误是开发完全有用的量子计算机的关键挑战。

耶鲁大学团队使用一种特殊方法间接监测超导人造原子,三个微波发生器照射封闭在铝制3D腔内的原子。Minev为超导电路开发的双重间接监测方法使研究人员能够以前所未有的效率观察原子。

微波辐射在同时被观察时搅动人造原子,导致量子跃迁。这些跳跃的微小量子信号可以放大而不会损失到室温。在这里,他们的信号可以实时监控。这使得研究人员能够看到突然没有检测到的光子(由微波激发的原子的辅助状态发出的光子); 这种微小的缺席是量子跳跃的预警。

“尽管有观察结果,这次试验显示的美丽效果是跳跃过程中的连贯性增加,”Devoret说。添加了Minev,“你可以利用它不仅可以捕获跳跃,还可以逆转它。”

研究人员表示,这是至关重要的一点。虽然从长远来看量子跃迁看起来是离散的和随机的,但逆转量子跃迁意味着量子态的演化部分地具有确定性而非随机性; 跳跃总是以相同的,可预测的方式从其随机起始点发生。

“原子的量子跃迁有点类似于火山的喷发,”Minev说。“从长远来看,它们是完全不可预测的。尽管如此,通过正确的监测,我们可以确定地发现即将发生的灾难的预警,并在灾害发生之前对其采取行动。

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