揭开测量之谜的量子理论

经许可转载自量子杂志社抽象博客

我如果我们所有的科学理论和模型只告诉我们平均值：如果最好的天气预报只能给你下个月的平均每日降雨量，或者如果天文学家只能预测日食之间的平均时间。

在量子力学的早期，这似乎是它不可避免的局限性：它是一种概率理论，只告诉我们，如果我们收集许多事件或粒子的记录，我们将平均观察到什么。埃尔文·薛定谔（Erwin Schrödinger）的同名方程式规定了量子对象的行为，对他来说，思考特定的原子或电子实时地做事情是完全没有意义的。“公平地说，”他在1952年写道，“我们不是做实验单粒子…换句话说，量子力学似乎只适用于许多粒子的“集合”。“当集合足够大时，就有可能获得足够的统计数据来检查预测是否正确，”他说米歇尔·德沃雷特，耶鲁大学物理学家。

但是还有另一种方法来表述量子力学，这样它就可以讨论单个量子系统中发生的单个事件。它被称为量子轨道理论（QTT），它完全符合量子力学的标准形式主义，它实际上只是量子行为的一个更详细的视图。在计算多个事件的平均值后，将在较长的时间尺度上恢复标准描述。

在对薛定谔悲观观点的直接挑战中，“QTT精确地处理单个粒子和正在发生的事件，”他说兹拉特科矿业公司，谁完成的他的博士学位在耶鲁大学德沃雷特的实验室里。通过将QTT应用于量子电路实验，Minev和他的同事最近能够捕捉“量子飞跃”-随着时间的推移，两个量子能量状态之间的转换。他们还取得了在中途抓住这样一个跳跃并将其逆转的非凡壮举。

“量子轨道理论做出的预测用标准公式是不可能的，”Devoret说。特别是，它可以预测单个量子对象（如粒子）在被观测时的行为，也就是说，在对它们进行测量时的行为。

薛定谔方程不能做到这一点。它完美地预测了如果我们不测量一个物体，它将如何随时间演化。但是加上测量，你能从薛定谔方程中得到的只是一个预测，你将在许多测量中平均看到什么，而不是任何一个系统会做什么。例如，它不会告诉你从一个单独的量子跃迁中会得到什么。

测量使薛定谔方程脱轨，因为一种特殊的现象叫做量子反作用. 量子测量会影响被观测的系统：观测行为会向系统中注入一种随机噪声。这最终是海森堡著名的测不准原理的来源。正如海森堡最初认为的那样，测量中的不确定度并不是对精密量子系统的笨拙干预的结果——比如说，光子撞击粒子并使其偏离轨道。相反，这是观察本身内在随机效应不可避免的结果。薛定谔方程在预测量子系统如何演化方面做得很好，除非你对它进行测量，在这种情况下，结果是不可预测的。

Devoret说，量子反作用可以被认为是系统和测量仪器之间的不完美对齐，因为只有仔细观察才能知道系统是什么样子。他将其比作使用望远镜观察行星。如果行星不在望远镜框架的中心，图像将变得模糊。

然而，QTT可以重新考虑行动。问题是，要应用QTT，你需要对你正在观察的系统的行为有几乎完全的了解。通常，对量子系统的观察忽略了很多潜在的可用信息：比如说，一些发射的光子在他们的环境中丢失了。但是如果uch对系统的一切都进行了测量和了解，包括反向作用的随机后果，然后你可以在测量仪器中建立反馈，对反向作用进行持续调整以补偿。这相当于调整望远镜的方向以使行星保持在中心。

为此，测量仪器必须以比系统发生重大变化的速度更快的速度收集数据，并且必须以近乎完美的效率进行收集。“基本上，所有离开系统并被环境吸收的信息都必须通过测量仪器并进行记录，”在天文学的类比中，行星只能被来自天文台的光照亮，而天文台也会以某种方式收集所有重新发射的光。

实现这种程度的控制和信息捕获非常具有挑战性。这就是为什么，尽管QTT已经存在了几十年，“只有在过去五年内，我们才能对其进行实验测试，”他说威廉·奥利弗Minev开发了一些创新技术，以确保量子测量效率高达91%，“这项关键技术的发展使我们能够将预测转化为可验证、可实施的实验，”他说。

德沃雷特说，有了这些创新，“考虑到该系统最近的历史，即使运动的某些特征在长期内变得不可预测，也有可能随时知道该系统在哪里。”此外，这一关于该系统如何随时间平滑变化的近乎完整的知识使研究人员能够“倒带”并避免标准量子形式主义中明显不可逆转的“波函数崩溃”。这就是研究人员能够在中途逆转量子跳跃的原因。

QTT的预测与实验结果之间的极好一致性表明，这一理论适用于单量子系统这一事实比这一事实更为深刻。这意味着该理论所指的高度抽象的“量子轨迹”（物理学家在20世纪90年代创造的术语）霍华德·卡迈克尔（耶鲁论文的合著者之一）是一个有意义的实体，用Minev的话来说，它“可以被归因于一定程度的现实”。这与首次引入QTT时的普遍观点形成对比，当时的普遍观点认为QTT只是一个数学工具，没有明确的物理意义。

但这条轨迹到底是什么？有一点是明确的：它不像经典的轨迹，意思是在太空中的路径。这更像是通过系统可能具有的抽象状态空间的路径，称为希尔伯特空间。在传统量子理论中，该路径由薛定谔方程的波函数描述。但至关重要的是，QTT还可以解决测量如何影响路径的问题，而薛定谔方程无法做到这一点。实际上，该理论使用对系统迄今为止的行为方式的仔细和完整的观察来预测其未来的行为。

你可以粗略地将其与预测单个空气分子的轨迹相比较。薛定谔方程所起的作用有点像经典扩散方程，它预测了这样一个粒子在经历碰撞时平均随时间移动的距离。但是QTT根据粒子已经经历过的碰撞的详细信息来预测特定粒子的去向。随机性仍在发挥作用：在这两种情况下，你都无法完美预测轨迹。但是QTT将给你一个单独粒子的故事，以及看到它下一步可能走向的能力。

菲利普·鲍尔是一位驻伦敦的作家。他的新书是如何成长为一个人：探索我们是谁以及我们是如何被创造出来的