描述微觀世界的量子力學(xué)在約一個(gè)世紀(jì)前剛問世那會(huì)，代表著一些與經(jīng)典理論完全相悖的，被當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家們稱為是“激進(jìn)”的反直覺思想，其中相當(dāng)著名的一個(gè)便是“量子躍遷（Quantum Leap）”，即一個(gè)量子系統(tǒng)在兩個(gè)量子態(tài)間的轉(zhuǎn)換過程。

雖然有部分較為純粹的物理學(xué)家認(rèn)為這個(gè)詞存在歧義，但由于粒子在兩個(gè)量子態(tài)間轉(zhuǎn)換的過程中所需的能量極少，此前包括很多量子領(lǐng)域先驅(qū)人物在內(nèi)的物理學(xué)家都曾一度將這一過程默認(rèn)為是“瞬間發(fā)生的”。

然而就在最近，一項(xiàng)由耶魯大學(xué)主導(dǎo)的新研究表明，量子躍遷其實(shí)是一個(gè)如快放電影般的連續(xù)過程，而不是人們此前所想的那種“瞬間發(fā)生”的非連續(xù)事件。研究由耶魯大學(xué)納米級(jí)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室主管，Michel Devoret 的學(xué)生 Zlatko Minev 領(lǐng)導(dǎo)，結(jié)果已于近日發(fā)表在 Nature 雜志上。

在研究中，研究人員通過特制的高速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，成功捕捉到了量子躍遷將要發(fā)生的起始時(shí)間，并以此在量子躍遷進(jìn)行到一半的時(shí)候人為逆轉(zhuǎn)量子態(tài)的轉(zhuǎn)換過程，使系統(tǒng)恢復(fù)到其初始態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)此前被認(rèn)為是“不可避免且完全隨機(jī)”的量子態(tài)轉(zhuǎn)換過程的量化操控。

圖丨量子躍遷是一個(gè)極快的漸進(jìn)過程。（來源：Quanta Magazine，qoncha）

離散與隨機(jī)

量子物理學(xué)家馬克思波恩（Max Born）曾表示：“量子躍遷，表面上看是一個(gè)物理學(xué)問題，其實(shí)卻是一個(gè)與人類認(rèn)知相關(guān)的哲學(xué)問題。”

量子躍遷的“瞬發(fā)性”最早由包括尼爾斯波爾（Niels Bohr）和沃納海森堡（Werner Heisenberg）等早期量子物理學(xué)家于上世紀(jì) 20 年代提出，是哥本哈根學(xué)派量子力學(xué)理論的核心支柱之一。

波爾認(rèn)為，原子中每個(gè)電子的能級(jí)都是“量子化的”（quantized，此處可以近似理解為是“量化的”，因?yàn)榱孔踊旧碇傅钠鋵?shí)是一個(gè) quanta 對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的能量值），因此電子能級(jí)躍遷所需的能量也是“量子化”的，僅有當(dāng)入射能量的大小等于特定的值時(shí)電子的能級(jí)躍遷才會(huì)發(fā)生，他提出，這一過程能由“電子吸收和放出攜帶合適大小能量的光子”來完成，并以此解釋了不同原子的吸收和放射光譜會(huì)呈現(xiàn)出不同特征（即吸收和放射的光線的波長差異）。

波爾和海森堡于上世紀(jì)20 年代起開始著手研究粒子量子行為背后的數(shù)學(xué)原理。其中，海森堡所建的模型能夠計(jì)算出一個(gè)粒子的所有“可被允許的”量子態(tài)，但把這些量子態(tài)間的轉(zhuǎn)換假設(shè)為了一種非連續(xù)的離散過程，并由此引出了根本哈根學(xué)派基本假設(shè)之一的“量子躍遷”概念。

但埃爾溫薛定諤（Erwin Schr?dinger）對(duì)此并不贊同，并于后來對(duì)此提出了用于連續(xù)地量化描述粒子狀態(tài)的薛定諤方程（也就是波函數(shù)或波方程）。

具有連續(xù)性的波函數(shù)實(shí)質(zhì)上可以被看作是海森堡離散量子態(tài)模型的一個(gè)替代模型，在物理上表示一個(gè)量子系統(tǒng)所處的狀態(tài)，而其波狀外形也會(huì)隨時(shí)間的推移而發(fā)生連續(xù)性的變化（就好比是海面上的波浪）。薛定諤認(rèn)為，由于當(dāng)時(shí)間等于零時(shí)他模型中并沒有體現(xiàn)出海森堡模型中的“瞬間轉(zhuǎn)換”，“量子躍遷”在現(xiàn)實(shí)中其實(shí)并不存在。

事實(shí)上，“量子躍遷”的問題還僅限于它的“不連續(xù)性”，其發(fā)生的時(shí)間在海森堡模型中也被認(rèn)為是“完全隨機(jī)”的，即海森堡模型能解釋為何量子躍遷要在某一特定時(shí)刻發(fā)生，認(rèn)為這是現(xiàn)實(shí)的一種內(nèi)置隨機(jī)性。

這一觀點(diǎn)遭到了薛定諤和愛因斯坦的反對(duì)，認(rèn)為這種基于隨機(jī)性的宇宙是荒謬的，而“量子躍遷”問題也因此從一個(gè)物理問題因此上升成了一個(gè)哲學(xué)問題。

繞開觀測(cè)難題

1986 年，有三個(gè)團(tuán)隊(duì)最早觀測(cè)到了單個(gè)原子的量子態(tài)轉(zhuǎn)換，具體來說，是被電磁場(chǎng)懸浮于空中的單個(gè)原子在“明”（可放出光子）與“暗”（不可放出光子）兩個(gè)態(tài)間的轉(zhuǎn)換。

在觀測(cè)中，原子會(huì)在一個(gè)狀態(tài)下維持十幾分之一秒到數(shù)秒，然后發(fā)生“躍遷”轉(zhuǎn)換為另一種狀態(tài)。此后，也陸陸續(xù)續(xù)也有很多別的團(tuán)隊(duì)觀測(cè)到了這種轉(zhuǎn)換，而在所有這些實(shí)驗(yàn)中，這種量子態(tài)間的轉(zhuǎn)換過程在對(duì)量子系統(tǒng)的監(jiān)控過程中看起來的確像是完全隨機(jī)和突然的，但此次耶魯大學(xué)的新實(shí)驗(yàn)在觀測(cè)設(shè)定上通過盡可能的利用可獲取的信息并確保這些信息不會(huì)在系統(tǒng)被測(cè)量前被泄露，使科學(xué)家能密切跟蹤單次量子態(tài)轉(zhuǎn)換過程，并預(yù)測(cè)出每次轉(zhuǎn)換將會(huì)于何時(shí)發(fā)生。

具體來說，此次研究中所使用的量子系統(tǒng)是一個(gè)遠(yuǎn)大于單個(gè)原子，由超導(dǎo)材料導(dǎo)線所制成的“人造原子”，這種人造原子具有與真實(shí)原子中電子能級(jí)相似的量子態(tài)，能通過吸收或發(fā)射光子來完成在不同量子態(tài)間的轉(zhuǎn)換。