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量子跃迁:改变你所知的物理学

1935年,物理学家薛定谔设想了一个思想实验,这个实验说明了一个奇怪的量子物理学现象:量子物理的叠加态,以及量子物理的不可预测性。

这个实验就是著名的“薛定谔的猫”。从实验开始往后的80多年来,实验揭示出的意义基本上是目前量子力学的基础。不过,最近耶鲁大学的科学家们发表了一篇研究报告,研究结果基本上推翻了薛定谔的猫的实验中的核心假设前提——而该研究的重要意义在于,它可以帮助各位研究者们在未来开发出量子计算机来。

首先我们来聊聊虐猫狂人薛定谔。

薛定谔的猫可能是历史上存在过的最著名的没有生、也没有死的猫了。基本上跳出三界了呢。

在思想实验中,薛定谔设想把一只猫关在一个四面封闭的箱子里,箱子里还有一小盒放射性物质。箱子将会被密闭整整一小时,在这一小时中,放射性物质有可能会、也有可能不会衰变。不过,如果放射性物质衰变了,那么它释放出的原子将会使箱子里已经存在的有毒物质释放毒气,然后杀死那只猫。

那么,这个虐猫实验怎样解释了量子物理学呢?首先是它的不确定性。在箱子密闭的这一小时中,你没办法知道猫到底是死了,还是没有。因此,理论上来说,它又生,又死——直到有人打开箱子,然而直接观察猫的状态。

这就是量子力学中所谓的叠加态:一个量子系统可以同时存在两种状态,而一旦被观察,这个随机的状态就会迅速地“跳”往其中一种状态。

想要预测这个量子系统何时会从一个状态跃迁另一个状态是不可能的——或者至少以前的专家们都是这么认为的,不过这个观点随着耶鲁的研究者们在《自然》杂志上公布他们的研究成果终结。耶鲁的科学家们说,在量子跃迁之前,还会有一个稍早的警告系统,来报告跃迁现象即将发生。

通过使用三种微波发生器、一个铝制空洞、一个超导人造原子,研究团队发现他们可以预测出这个原子何时可以进行跃迁——他们需要做的是观测某个特殊的光子从原子中溢出的现象。

“尽管我们观察了整个过程,但研究表明,实验中发生的美丽现象和之后发生的量子跃迁存在着连续性,更关键的一点在于,我们不仅能观测到跃迁现象,甚至还能反转它。”研究者Michel Devoret和Zlatko Minev说道。

研究中提到的反转量子跃迁的这个功能,将会在未来帮助人们开发出量子计算机来。

量子计算机系统中的量子信息的基础单元是量子比特。量子比特和传统计算机的比特类似,但它也有不同之处。比特通常是由1和0组成的,但量子比特则可以同时存在两种状态。

量子计算系统在进行计算时,量子比特由于其特性,时常会发生计算错误,而如果研究者们能够预测到量子比特发生的变化,那他们就能够更加迅速地纠正可能会发生的错误,并且管理量子数据——这样一来,开发量子计算机的难度也将会变得没那么难了。

Minev说:“原子量子跃迁有点类似是火山爆发,长期来看它完全无法预测。尽管如此,如果有正确的检测系统,我们可以在一些严重的后果发生之前提前预测,并且提前行动。”

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