北京時間6月12日消息，據(jù)國外媒體報道，著名的“薛定諤的貓”是量子疊加性和不可預測性的象征，而耶魯大學的研究人員找到了一種能夠“捕獲”和“拯救”這只“貓”的方法，通過預測其跳躍動作采取實時行動，從而將其從厄運中拯救出來。在研究過程中，他們推翻了量子物理學界多年來的基柱性教條。

這項發(fā)現(xiàn)讓研究人員能夠建立一套提前預警系統(tǒng)，預測含有量子信息的人造原子即將發(fā)生的“跳躍”動作。宣布此項發(fā)現(xiàn)的報告發(fā)表在6月3日的在線版《自然》期刊上。

“薛定諤的貓”是一個著名悖論，闡釋了量子物理中“疊加”的概念(即相反的兩種狀態(tài)可以同時存在)和不可預測性。這個悖論是這樣的：一只貓被放在一個密封的盒子中，盒子里有一個放射源，還有一種毒藥。若放射性物質有一個原子發(fā)生衰變，就會釋放毒藥。量子物理的疊加理論認為，在有人打開這個盒子之前，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)。一旦打開盒子、觀察到了貓的死活，其量子態(tài)就會立即改變，變成“死”或“活”中的一種。

量子躍遷是指，量子態(tài)被人觀察到時發(fā)生的離散(非連續(xù))、隨機的變化。

此次實驗在耶魯大學教授米歇爾·德沃雷特(Michel Devoret)的實驗室中開展，由主要作者茲拉特科·米奈弗(Zlatko Minev)提出，首次對量子躍遷的真正運作機制進行了考察。而結果令人大吃一驚，與丹麥物理學家玻爾的著名理論背道而馳。該研究結果顯示，與之前認為的不同，量子躍遷的發(fā)生既不突然、又不隨機。

對電子、分子、或含有量子信息的人造原子(又稱量子比特)等小物體來說，量子躍遷是指從一個離散的能態(tài)突然轉移到另一個能態(tài)。在研發(fā)量子計算機時，研究人員必須解決量子比特的躍遷問題，因為量子躍遷代表著計算錯誤。

深奧難解的量子躍遷理論最早由玻爾于一個世紀前提出，但一直到上世紀80年代才在原子中被觀察到。

“我們每次對一個量子比特進行測量，都會發(fā)生這種躍遷。”德沃雷特表示，他是耶魯大學應用物理和物理學教授和耶魯量子研究所成員，“量子躍遷從長期來看，是無法進行預測的。”

“盡管如此，”米奈弗補充道，“我們還是試試看，是否有可能對即將發(fā)生的躍遷發(fā)出預警信號。”

米奈弗指出，此次實驗是受了奧克蘭大學教授、量子軌跡理論的先驅霍華德·卡邁克爾(Howard Carmichael)所做的一項理論預測的啟發(fā)。

除了其產生的巨大影響之外，此次發(fā)現(xiàn)還可能代表著，我們對量子信息的理解和控制取得了重大進展。研究人員表示，可靠地管理量子數(shù)據(jù)和實時糾錯是研發(fā)量子計算機過程中的關鍵挑戰(zhàn)。

此次耶魯團隊利用了一種特殊方法，對一個超導人造原子展開間接監(jiān)測，利用三臺微波發(fā)射器，對密封在一個用鋁制成的3D空腔中的原子進行輻射。這種雙重間接監(jiān)測方法由米奈弗提出，讓研究人員能夠以從未有過的高效率觀察原子。

微波輻射能夠在人造原子被觀察到的同時、對其進行激發(fā)，造成量子躍遷。而這些躍遷發(fā)射的微弱量子信號能夠被放大，不會因室溫造成損失。在此次實驗中，這些信號可以得到實時監(jiān)測，讓研究人員能夠及時發(fā)現(xiàn)檢測光子(即由受微波激發(fā)的原子的振蕩態(tài)釋放出的光子)的突然消失。檢測光子的消失便是即將發(fā)生量子躍遷的預警信號。

“此次實驗顯示，盡管受到了觀察，但量子躍遷的一致性有所增加。”德沃雷特指出。米奈弗也補充道：“利用這一點，我們不僅能及時捕捉到量子躍遷，還能逆轉它。”

研究人員表示，這一點非常關鍵。雖然從長期來看，量子躍遷的發(fā)生顯得離散而隨機，但逆轉量子躍遷意味著，量子態(tài)的演變從部分程度上來說是一種確定性的、并不隨機的特性。量子躍遷的起點雖然隨機，但總是以同一種可以預測的方式發(fā)生。

“一個原子的量子躍遷有點類似火山爆發(fā)。”米奈弗指出，“從長期來看完全無法預測，但只要監(jiān)測方法得當，我們肯定能探測到災難即將發(fā)生的信號，并及時采取行動。”

此次研究的其他共同作者還有耶魯大學的羅伯特·舍爾考夫(Robert Schoelkopf)、尚塔努·蒙德哈達(Shantanu Mundhada)、希亞姆·山卡爾(Shyam Shankar)和菲利普·萊因霍德(Philip Reinhold)，奧克蘭大學的里卡多·古鐵雷斯·豪瑞吉(Ricardo Gutiérrez-Jáuregui)，以及法國計算機科學與自動化研究所的瑪茲亞爾·米拉西密(Mazyar Mirrahimi)。此次研究由美國陸軍研究辦公室支持，是耶魯大學量子研究取得的最新進展。耶魯大學的科學家們正在研發(fā)量子計算機的第一線奮斗，已經在利用超導電路的量子計算機領域做出了一些開創(chuàng)性的工作。(葉子)