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日前,知名的“薛定谔的猫”是量子叠加性和不可预测性的象征,而哈佛学院的研究人员找到了一种才能“捕获”和“拯救”这只“猫”的方式,通过预测其跳跃动作采取实时行动,进而将其从噩运中挽救下来。在研究过程中,她们推翻了量子化学学界多年来的基柱性教条。
这项发觉让研究人员才能构建一套提早预警系统,预测富含量子信息的人造原子将要发生的“跳跃”动作。宣布此项发觉的报告发表在6月3日的在线版《自然》期刊上。
“薛定谔的猫”是一个知名悖论,阐述了量子化学中“叠加”的概念(即相反的两种状态可以同时存在)和不可预测性。这个悖论是这样的:一只猫被置于一个密封的袋子中,袋子里有一个放射源,还有一种毒药。若放射性物质有一个原子发生衰变,还会释放毒药。量子化学的叠加理论认为,在有人打开这个袋子之前,其中的猫既是活的,又是死的,即处于两种状态的叠加态。一旦打开袋子、观察到了猫的死活,其量子态都会立刻改变,弄成“死”或“活”中的一种。
量子跃迁是指量子物理学家有哪些,量子态被人观察到时发生的离散(非连续)、随机的变化。
这次实验在哈佛学院院长米歇尔·德沃雷特()的实验室中举办,由主要作者兹拉特科·米奈弗(Minev)提出,首次对量子跃迁的真正运作机制进行了考察。而结果令人大吃一惊,与德国化学学家玻尔的知名理论背道而驰。该研究结果显示,与之前觉得的不同,量子跃迁的发生既不猛然、又不随机。
对电子、分子、或富含量子信息的人造原子(又称量子比特)等小物体来说,量子跃迁是指从一个离散的能态忽然转移到另一个能态。在研制量子计算机时,研究人员必须解决量子比特的跃迁问题,由于量子跃迁代表着估算错误。
晦涩难解的量子跃迁理论最早由玻尔于一个世纪前提出,但仍然到上世纪80年代才在原子中被观察到。
“我们每次对一个量子比特进行检测,就会发生此类跃迁。”德沃雷特表示,他是哈佛学院应用数学和数学学院士和哈佛量子研究所成员,“量子跃迁从常年来看,是难以进行预测的。”
“尽管这么,”米奈弗补充道,“我们还是试试看,是否有可能对将要发生的跃迁发出预警讯号。”
米奈弗强调,这次实验是受了新西兰学院院长、量子轨迹理论的先驱霍华德·卡迈克尔()所做的一项理论预测的启发。
不仅其形成的巨大影响之外,这次发觉还可能代表着,我们对量子信息的理解和控制取得了重大进展。研究人员表示,可靠地管理量子数据和实时纠错是研制量子计算机过程中的关键挑战。
这次哈佛团队借助了一种特殊方式,对一个超导人造原子展开间接检测量子物理学家有哪些,借助三台微波发射器,对密封在一个用铝质成的3D空腔中的原子进行幅射。这些双重间接检测方式由米奈弗提出,让研究人员才能以未曾有过的高效率观察原子。
微波幅射才能在人造原子被观察到的同时、对其进行迸发,导致量子跃迁。而这种跃迁发射的微弱量子讯号才能被放大,不会因温度导致损失。在这次实验中,这种讯号可以得到实时检测,让研究人员才能及时发觉测量光子(即由受微波迸发的原子的振荡态释放出的光子)的忽然消失。检对焦子的消失便是将要发生量子跃迁的预警讯号。
“此次实验显示,虽然遭到了观察,但量子跃迁的一致性有所降低。”德沃雷特强调。米奈弗也补充道:“利用这一点,我们除了能及时捕捉到量子跃迁,就能逆转它。”
研究人员表示,这一点十分关键。似乎从常年来看,量子跃迁的发生变得离散而随机,但逆转量子跃迁意味着,量子态的演化从部份程度上来说是一种确定性的、并不随机的特点。量子跃迁的起点其实随机,但总是以同一种可以预测的方法发生。
“一个原子的量子跃迁有点类似火山爆发。”米奈弗强调,“从常年来看完全没法预测,但只要检测方式得当,我们肯定能侦测到灾难正式发生的讯号,并及时采取行动。”
这次研究的其他共同作者还有哈佛学院的罗伯特·舍尔考夫()、尚塔努·蒙德哈达()、希亚姆·山卡尔(Shyam)和菲利普·莱因霍德(),新西兰学院的里卡多·古铁雷斯·豪瑞吉(Gutiérrez-Já),以及美国计算机科学与手动化研究所的玛兹亚尔·米拉西密()。这次研究由英国海军研究办公室支持,是哈佛学院量子研究取得的最新进展。哈佛学院的科学家们正在研制量子计算机的第一线拼搏,早已在借助超导电路的量子计算机领域作出了一些开创性的工作。