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日前，知名的“薛定諤的貓”是量子疊加性和不可預(yù)測(cè)性的象征，而哈佛學(xué)院的研究人員找到了一種才能“捕獲”和“拯救”這只“貓”的方式，通過(guò)預(yù)測(cè)其跳躍動(dòng)作采取實(shí)時(shí)行動(dòng)，進(jìn)而將其從噩運(yùn)中挽救下來(lái)。在研究過(guò)程中，她們推翻了量子化學(xué)學(xué)界多年來(lái)的基柱性教條。
這項(xiàng)發(fā)覺(jué)讓研究人員才能構(gòu)建一套提早預(yù)警系統(tǒng)，預(yù)測(cè)富含量子信息的人造原子將要發(fā)生的“跳躍”動(dòng)作。宣布此項(xiàng)發(fā)覺(jué)的報(bào)告發(fā)表在6月3日的在線版《自然》期刊上。
“薛定諤的貓”是一個(gè)知名悖論，闡述了量子化學(xué)中“疊加”的概念（即相反的兩種狀態(tài)可以同時(shí)存在）和不可預(yù)測(cè)性。這個(gè)悖論是這樣的：一只貓被置于一個(gè)密封的袋子中，袋子里有一個(gè)放射源，還有一種毒藥。若放射性物質(zhì)有一個(gè)原子發(fā)生衰變，還會(huì)釋放毒藥。量子化學(xué)的疊加理論認(rèn)為，在有人打開(kāi)這個(gè)袋子之前，其中的貓既是活的，又是死的，即處于兩種狀態(tài)的疊加態(tài)。一旦打開(kāi)袋子、觀察到了貓的死活，其量子態(tài)都會(huì)立刻改變，弄成“死”或“活”中的一種。
量子躍遷是指量子物理學(xué)家有哪些，量子態(tài)被人觀察到時(shí)發(fā)生的離散（非連續(xù)）、隨機(jī)的變化。
這次實(shí)驗(yàn)在哈佛學(xué)院院長(zhǎng)米歇爾·德沃雷特（）的實(shí)驗(yàn)室中舉辦，由主要作者茲拉特科·米奈弗（Minev）提出，首次對(duì)量子躍遷的真正運(yùn)作機(jī)制進(jìn)行了考察。而結(jié)果令人大吃一驚，與德國(guó)化學(xué)學(xué)家玻爾的知名理論背道而馳。該研究結(jié)果顯示，與之前覺(jué)得的不同，量子躍遷的發(fā)生既不猛然、又不隨機(jī)。
對(duì)電子、分子、或富含量子信息的人造原子（又稱(chēng)量子比特）等小物體來(lái)說(shuō)，量子躍遷是指從一個(gè)離散的能態(tài)忽然轉(zhuǎn)移到另一個(gè)能態(tài)。在研制量子計(jì)算機(jī)時(shí)，研究人員必須解決量子比特的躍遷問(wèn)題，由于量子躍遷代表著估算錯(cuò)誤。
晦澀難解的量子躍遷理論最早由玻爾于一個(gè)世紀(jì)前提出，但仍然到上世紀(jì)80年代才在原子中被觀察到。
“我們每次對(duì)一個(gè)量子比特進(jìn)行檢測(cè)，就會(huì)發(fā)生此類(lèi)躍遷。”德沃雷特表示，他是哈佛學(xué)院應(yīng)用數(shù)學(xué)和數(shù)學(xué)學(xué)院士和哈佛量子研究所成員，“量子躍遷從常年來(lái)看，是難以進(jìn)行預(yù)測(cè)的?！?span style="display:none">20z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
“盡管這么，”米奈弗補(bǔ)充道，“我們還是試試看，是否有可能對(duì)將要發(fā)生的躍遷發(fā)出預(yù)警訊號(hào)?！?span style="display:none">20z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
米奈弗強(qiáng)調(diào)，這次實(shí)驗(yàn)是受了新西蘭學(xué)院院長(zhǎng)、量子軌跡理論的先驅(qū)霍華德·卡邁克爾（）所做的一項(xiàng)理論預(yù)測(cè)的啟發(fā)。
不僅其形成的巨大影響之外，這次發(fā)覺(jué)還可能代表著，我們對(duì)量子信息的理解和控制取得了重大進(jìn)展。研究人員表示，可靠地管理量子數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)糾錯(cuò)是研制量子計(jì)算機(jī)過(guò)程中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
這次哈佛團(tuán)隊(duì)借助了一種特殊方式，對(duì)一個(gè)超導(dǎo)人造原子展開(kāi)間接檢測(cè)量子物理學(xué)家有哪些，借助三臺(tái)微波發(fā)射器，對(duì)密封在一個(gè)用鋁質(zhì)成的3D空腔中的原子進(jìn)行幅射。這些雙重間接檢測(cè)方式由米奈弗提出，讓研究人員才能以未曾有過(guò)的高效率觀察原子。
微波幅射才能在人造原子被觀察到的同時(shí)、對(duì)其進(jìn)行迸發(fā)，導(dǎo)致量子躍遷。而這種躍遷發(fā)射的微弱量子訊號(hào)才能被放大，不會(huì)因溫度導(dǎo)致?lián)p失。在這次實(shí)驗(yàn)中，這種訊號(hào)可以得到實(shí)時(shí)檢測(cè)，讓研究人員才能及時(shí)發(fā)覺(jué)測(cè)量光子（即由受微波迸發(fā)的原子的振蕩態(tài)釋放出的光子）的忽然消失。檢對(duì)焦子的消失便是將要發(fā)生量子躍遷的預(yù)警訊號(hào)。
“此次實(shí)驗(yàn)顯示，雖然遭到了觀察，但量子躍遷的一致性有所降低?！钡挛掷滋貜?qiáng)調(diào)。米奈弗也補(bǔ)充道：“利用這一點(diǎn)，我們除了能及時(shí)捕捉到量子躍遷，就能逆轉(zhuǎn)它。”
研究人員表示，這一點(diǎn)十分關(guān)鍵。似乎從常年來(lái)看，量子躍遷的發(fā)生變得離散而隨機(jī)，但逆轉(zhuǎn)量子躍遷意味著，量子態(tài)的演化從部份程度上來(lái)說(shuō)是一種確定性的、并不隨機(jī)的特點(diǎn)。量子躍遷的起點(diǎn)其實(shí)隨機(jī)，但總是以同一種可以預(yù)測(cè)的方法發(fā)生。
“一個(gè)原子的量子躍遷有點(diǎn)類(lèi)似火山爆發(fā)。”米奈弗強(qiáng)調(diào)，“從常年來(lái)看完全沒(méi)法預(yù)測(cè)，但只要檢測(cè)方式得當(dāng)，我們肯定能偵測(cè)到災(zāi)難正式發(fā)生的訊號(hào)，并及時(shí)采取行動(dòng)?！?span style="display:none">20z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
這次研究的其他共同作者還有哈佛學(xué)院的羅伯特·舍爾考夫（）、尚塔努·蒙德哈達(dá)（）、希亞姆·山卡爾（Shyam）和菲利普·萊因霍德（），新西蘭學(xué)院的里卡多·古鐵雷斯·豪瑞吉（Gutiérrez-Já），以及美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)與手動(dòng)化研究所的瑪茲亞爾·米拉西密（）。這次研究由英國(guó)海軍研究辦公室支持，是哈佛學(xué)院量子研究取得的最新進(jìn)展。哈佛學(xué)院的科學(xué)家們正在研制量子計(jì)算機(jī)的第一線拼搏，早已在借助超導(dǎo)電路的量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域作出了一些開(kāi)創(chuàng)性的工作。