英媒稱,科學家認為,薛定諤的貓或許並非只有生死兩種可能,它還可以從危險邊緣被救回。這些科學家說,他們發現了一度被認為瞬間完成、不可預測的量子躍遷擁有預警信號。

中文報道:

科學家發現「量子躍遷」有預警信號:薛定諤的貓「有救了」_《參考消息》官方網站?

www.cankaoxiaoxi.com

Nature 原文:

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1287-z?

www.nature.com


20190613更:看了很多的評論,還有一些相關的知乎問題,好像很多人覺得這個工作證偽了量子力學的隨機性(概率解釋)or不連續性,甚至認為量子力學被推翻了。。。我覺得實在是有必要澄清一下。這個工作本身沒有推翻任何現有的量子力學理論!實驗的所有結論都與理論學家用現有的量子力學理論預測預相符!我不知道是哪家媒體的報道出現了偏差。。他們是要負責任的。。

解釋一下量子力學的隨機性和不連續性:比如我們考慮電子可以佔據GD這兩個分立的能級,能量分別是EG和ED,如果電子處在疊加態,那麼如果我們測電子能量,單次測量的結果只可能是EG或者ED(不連續),單次實驗測出來是哪個是隨機的(隨機性)。

量子躍遷是指,在光場中,原子的電子可以吸收或者放出一個光子能量在GD兩個能級間躍遷(G-&>D或者D-&>G),這篇文章的結論是:量子躍遷這一過程發生的時間雖然是隨機的,但是發生前有預兆,而且躍遷過程連續。這跟測量都沒關係啊!咋就被理解成推翻了量子力學的隨機性和不連續性。。。

文章第三幅圖的Z_GD展示的就是測量到電子在G態或者D態的概率(Z越小測到G的概率越大),作者明確說了,單次實驗只能測出來電子在G或者D,那條線是做了680萬次實驗平均下來的結果,所以才是連續的。為什麼要畫概率?因為每一次測得的結果是隨機的啊!概率的變化是連續的,不代表每次實驗的結果也是連續的啊!


20190611更:拖延症晚期的我終於把文章逆轉量子躍遷那部分補上了。。。

評論區很多知友反應看不懂。。。確實寫的有點太晦澀了。。簡單的科普可以看題主引的那個報道,裡面是用薛定諤的貓來講這個事情,或許更生動形象好理解。不過那個報道對物理原理和實驗方法說的不太多,希望這個回答可以幫助大家理解。


耶魯大學兩位超導量子計算大佬又搞了個大新聞啊!

這個工作是說,通過對量子態的測量可以預測量子躍遷的發生。由於這種預警信號的存在,他們還可以主動對體系進行操控,把進行到一半的量子躍遷拉回來。

在量子力學建立之前,波爾用他的三個假設解釋了氫原子光譜,這就是著名的波爾模型,波爾模型現在還出現在很多量子力學或者原子物理的教科書里。波爾模型有三個基本假設:定態假設(原子中的電子可以在一系列軌道上穩定運動)、角動量量子化假設(這些軌道的角動量是普朗克常數的整數倍)和躍遷假設(原子可以通過吸收或者放出能量在這些軌道上跳來跳去)。

當人在不停地觀測原子的狀態時(強測量),這種躍遷發生的時間是隨機的。但這並不代表我們不能預測量子躍遷的發生。這篇文章就是利用實時測量結果的一些特徵預測躍遷,並且扭轉躍遷。


下面講講這個實驗具體怎麼做的吧

超導人工原子能級圖和電路圖

他們用超導電路做出了有D, B, G三個能級的量子體系,也就是他們所謂的人工原子。其中D和G是量子躍遷發生的兩個能級,B的引入是為了測量躍遷的發生。DG之間的耦合[公式] 產生量子躍遷,BG之間的耦合使得研究人員可以通過測量B得到原子G態的概率。

實時觀測量子躍遷

上圖中藍灰紅分別代表原子處在BGD三個狀態。當原子處在G態的時候,由於BG耦合的存在,可以看到原子在BG之間躍遷(這個雖然也叫躍遷,但我們感興趣的是GD的躍遷,不是這個)。在0到~33us之間,原子一直處於G狀態(藍灰交替),但是在45us之後,原子處在D狀態(紅色),這說明在45us的時候發生了量子躍遷(G到D)。但是這中間的12us時間裡(粉色陰影的區域),雖然原子仍處在G,但是我們看不到B(藍色)了。這就是預警信號!

預警期量子態的演化

他們在預警期做了state tomography,可以看到在這12us內,量子態是從G連續變到D的(對應著Z_GD從-1連續變到+1),說明量子躍遷不是一個瞬時的過程!

從上圖還可以看到在中間時刻 [公式] ,Z=0,也就是量子躍遷剛好進行到了一半,在這個時候,自旋是朝X方向的。所以大致來說,量子躍遷的過程自旋從-Z到X再到Z。知道了這個軌跡,研究人員就可以在中間時刻 [公式]把X再轉回到-Z,人為逆轉這個進行到一半的躍遷過程。

逆轉量子躍遷。逆轉過程是在phi_1方向打90度pulse,當phi_1=pi/2,也就是pulse沿Y方向的時候,它剛好能夠將X重新變回-Z,實驗上這個操作的可信度最高可以達到83%(右圖藍線的最高點)


最後以我粗淺的認識談一下如何看待吧。。。

這個結果之前是被理論預言的。所以這篇文章的主要結論:量子躍遷是連續、相干、可預測的,這三點從理論的角度上並沒有什麼意外的。這個理解上也很自然,因為量子躍遷說的是一個開放系統,比如在光場中的原子,只看原子的話會發現有躍遷。但是如果把光考慮進來,整個系統就是封閉系統,所有的演化都是連續、相干、可預測的,原子作為其子系統也應該具有這樣的性質。

當然實驗驗證也非常重要,畢竟對於物理學來說,算出來的永遠沒有看到的靠譜。這個實驗的control也比較複雜,能做出來也很厲害。


這篇論文的解讀好像出現了奇怪的偏差……實際上,躍遷需要時間早有定論。核磁共振,尤其是各種已經商業化、常規化的二維核磁的實驗時時都在利用相關原理。Rabi、Bloch研究NMR並且獲得諾貝爾物理學獎都是上個世紀四五十年代的事了。正巧知乎上前幾天還有相關討論:

電子躍遷是瞬間移動嗎?是不是超光速移動??

www.zhihu.com圖標電子躍遷是瞬間移動嗎?是不是超光速移動??

www.zhihu.com圖標

那麼,一個「眾所周知」的現象為什麼能發表在 nature 上呢?當然是由它的理由,但並不是什麼首次發現「量子躍遷不是瞬間完成」或者「挑戰哥本哈根解釋」之類的唬人理由——呃,且容我有空再更……或者也可以先看一下我的另外一個相關解讀……

量子力學不確定性是否被推翻?如果是真的,這意味著什麼??

www.zhihu.com圖標

不請自來。不過看了幾個答案感覺有點恐怖,怎麼有這麼多看起來莫名其妙的答案,什麼XX理論被推翻之類的,是大家量子力學乾脆沒學嗎…

現在普遍接受的理論一直都是「躍遷」需要時間的啊。簡單定性來說可以用不確定原理考慮一下,考慮得稍微複雜點就是含時微擾,這不都是本科生量子力學很重要的內容嗎。

補充一些東西:

我個人其實不太喜歡但凡有科普就提薛定諤的貓,甚至對其過度解讀。現在而言,就把這個例子當成普通的思想實驗就好了。非物理專業的人如果不能理解就不要去理解了,那就是數理基礎不夠,強行理解反而沒有什麼幫助。

我覺得科普這個事情應該是讓人在思考後有所收穫的。不應該為了方便所有人理解而把科學過分簡單化。


1.量子力學理論不會因此有什麼變化

2.薛定諤的貓和這個沒啥關係

3.去看看什麼叫量子躍遷什麼叫疊加態什麼叫薛定諤方程

4.很多人並沒有量子力學的基本常識

5.洗洗睡吧


我發現本問題下就有一個和題目中同樣神奇的現象

大家不妨像看待北大物理學院有教學事故預警信號一樣來看待:

作用量也就是力,或者光

作用量也就是力,或者光

作用量也就是力,或者光

——你咋不說是奧特曼呢!曾謹言培養的北大物理教授就這認知?

——你是電,你是光,你是唯一的神話~我只愛你,You are my 作用量~

作用量(zuoyongliang)為雷奕安自行定義的概念,它既是力,又是光,當然也是電和熱。與物理學中最小作用量(Least action)原理毫無關係,切記!

非局域性概念也是錯的,或者說需要得到實驗證明

也是錯的,或者說需要得到實驗證明

也是錯的,或者說需要得到實驗證明

(先一口斷定是錯的了,還做什麼實驗證明?發現錯就強行證成對的?北大教授就這論述能力?)

按照雷氏邏輯,很多人的無罪需要證明,或者說,他是罪犯(誰是「很多人」呢?請看)。

原來薛定諤也是中文十級嗎?用中文髒話罵人這麼熟練?你說的那位是不是姓薛名定諤,祖籍山東啊?

我當然知道你鏈接里的文章是這樣翻譯的,但你一個物理教授貼的不該是當事人的原文嗎?居然靠二手消息?你和荀仔隊有啥區別?

感謝知友 @十酒三 提供資料,雷奕安本來就以為古今中外都通用現代漢語:

(經查雷奕安微博 已刪除此條並更換頭像逃避,不愧其芳草天之名!)

截圖出處:十酒三:想不出好話怎麼辦?華南理工老來示範

薛定諤雖為西方蠻夷,卻和成吉思汗一樣並非漢人而精通現代漢語,這證明一代偉人都要熟習中華文化啊!

就像北大教授探究物理要用網文,考據歷史用武俠小說一樣!

更新:下圖分別出自芳草天的微博和知乎文章:

薛定諤過世多年,跟你雷奕安這麼熟啊?他怎生氣你都感同身受?好像是你被「他們」強幹了一樣啊?

你是通過科研圈網站文章通靈跟他交流的嗎?這通靈是不是還自帶雙向高智能翻譯啊?不然他怎麼知道你說的「量子力學不懂派」這半通不通的漢語是啥玩意?

得,回答看不見了也賴不懂派。反正什麼都是別人的錯,就雷奕安永遠正確。道聽途說不去查證,戲真多得跟自己就是薛定諤本人似的。這不,雷奕安還往別人的評論區派槍手呢:

「且不論別人說得是否是對的,我阿城就能斷定你們是知乎睿智,你們這一群唇豚」

從邏輯上來看,或者按照阿城說的「就很簡單的一個道理」,如果阿城脖頸以上不只有排遺功用,完全可以直接討論「別人說的是否是對的」,而不需要轉移話題討論別人行為動機和身份立場。越需要髒話辱罵來造勢越證明阿城沒有心發虛,只有月工口等著雷某喂它恰飯。

歡迎收看雷奕安教授的往期滑稽秀:

傅鐵強:「北大物理教授」知乎暴論選集?

zhuanlan.zhihu.com圖標傅鐵強:震驚!!北大教授雷奕安證明電腦不存在!?

zhuanlan.zhihu.com圖標


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