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張文卓：量子力學(xué)隨機(jī)性被推翻了？事情才沒那么簡單

點(diǎn)擊：  作者：張文卓    來源：風(fēng)云之聲微信號  發(fā)布時間:2022-02-23 10:27:45

 

導(dǎo)讀：2022年2月21日，許多人轉(zhuǎn)給我一篇文章《耶魯大學(xué)宣布推翻量子力學(xué)？科學(xué)界已核實(shí)，量子疊加態(tài)已經(jīng)被證偽》，問我是怎么回事。我一看就告訴他們這純屬營銷號的胡扯，而且這事2019年就被營銷號炒作過一次，我的朋友、量子信息研究者、著名科普作家“九維空間”張文卓博士當(dāng)時就寫過文章辟謠（量子力學(xué)隨機(jī)性被推翻了？事情才沒那么簡單 | 張文卓）。雖然這篇文章相當(dāng)專業(yè)，但至少可以告訴大家這項(xiàng)研究完全沒有推翻量子力學(xué)。下面重發(fā)此文。此文首發(fā)于2019年6月20日

 

近日（2019年6月），一則名為“薛定諤的貓終于有救了，Nature研究首次觀測到量子躍遷過程”的新聞報道刷屏。諸如“耶魯大學(xué)實(shí)驗(yàn)推翻量子力學(xué)隨機(jī)性”“愛因斯坦又蒙對了”等等標(biāo)題黨紛紛出現(xiàn)，仿佛戰(zhàn)無不勝的量子力學(xué)一夜之間陰溝翻船一樣，很多文青紛紛哀嘆宿命論又回來了。然而，事實(shí)真的如此？還是報道偏差歪曲了論文本意？

 

 

刷屏的新聞報道。圖片來源：百度搜索截圖

 

什么是量子力學(xué)隨機(jī)性？

 

咱們先搞懂量子力學(xué)的隨機(jī)性說的是什么，再看看這篇論文做了什么。

 

根據(jù)數(shù)理雙修的大師馮諾依曼的總結(jié)，量子力學(xué)有兩個基本的過程，一個是按照薛定諤方程確定性地演化，另一個是因?yàn)闇y量導(dǎo)致的量子疊加態(tài)隨機(jī)塌縮。薛定諤方程是量子力學(xué)核心方程，它是確定性的，跟隨機(jī)性無關(guān)。那么量子力學(xué)的隨機(jī)性只來自于后者，也就是來自于測量。

 

這個測量隨機(jī)性正是讓愛因斯坦最無法理解的地方，他用了“上帝不會擲骰子”這個比喻來反對測量隨機(jī)性，而薛定諤也假想了測量一只貓的生死疊加態(tài)來反對過它。

 

 

薛定諤選貓作為實(shí)驗(yàn)對象是不是因?yàn)樨垚坫@盒子……圖片來源：Unsplash

 

但是無數(shù)的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，去直接測量一個量子疊加態(tài)，它的結(jié)果就是隨機(jī)在其中一個本征態(tài)上（概率為疊加態(tài)中每個本征態(tài)的系數(shù)模平方），這就是量子力學(xué)最重要的測量問題。為了解決這個問題，誕生了量子力學(xué)多個詮釋，其中主流的三個詮釋為哥本哈根詮釋、多世界詮釋和一致歷史詮釋。

 

哥本哈根詮釋認(rèn)為，測量會導(dǎo)致量子態(tài)塌縮，即量子態(tài)瞬間被破壞，隨機(jī)跌到一個本征態(tài)上；多世界詮釋覺得哥本哈根詮釋太玄了，于是就搞了個更玄的，認(rèn)為每一次測量就是世界的一次分裂，所有本征態(tài)的結(jié)果都存在，只是互相完全獨(dú)立（正交），干擾不到對方，我們只是隨機(jī)地在某一個世界當(dāng)中；一致歷史詮釋引入了量子退相干過程，解決了從疊加態(tài)到經(jīng)典概率分布的問題。但是在選擇哪個經(jīng)典概率上，還是回到了哥本哈根詮釋和多世界詮釋的爭論。

 

從邏輯上看，多世界詮釋和一致歷史詮釋的結(jié)合對解釋測量問題似乎是最完美的，多個世界組成一個總的疊加態(tài)，即保留了“上帝視角”的確定性，又保留了單一世界視角的隨機(jī)性。但物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為準(zhǔn)的科學(xué)，這些詮釋預(yù)言了同樣的物理結(jié)果，相互之間不可證偽，那么物理意義就是等價的，所以學(xué)術(shù)圈還是主要采用哥本哈根詮釋，即用塌縮（collapse）這個詞代表測量量子態(tài)的隨機(jī)性。

 

耶魯大學(xué)的論文說了什么？

 

那么我們再看看耶魯大學(xué)這篇Nature論文[1]做了什么。先鋪墊一個量子力學(xué)知識，那就是量子躍遷是一個量子疊加態(tài)完全按照薛定諤方程演化的確定性過程[2]，即在基態(tài)|G>上的概率幅按照薛定諤方程連續(xù)地轉(zhuǎn)移到激發(fā)態(tài)|E>上，再連續(xù)地轉(zhuǎn)移回來，形成一個振蕩（頻率稱為拉比頻率），它屬于馮諾依曼總結(jié)的第一類過程。

 

 

圖片來源：nature.com

 

這篇論文測的就是這樣一個確定性的量子躍遷，所以得到確定性結(jié)果毫無意外。文章的賣點(diǎn)在于怎樣不讓這個測量破壞掉原本的疊加態(tài)，或者怎樣讓量子躍遷不會因突如其來的測量而停止。這個也不是多么神秘的技術(shù)，而是量子信息領(lǐng)域目前廣泛應(yīng)用的“弱測量”方法。

 

 

圖片來源：Nature 570, 200–204 (2019)

 

我們來看這篇Nature論文里的實(shí)驗(yàn)用到的能級圖，是一個三能級系統(tǒng)，|G>是基態(tài)，|D>是一個激發(fā)態(tài)，稱為暗態(tài)（不易受影響的態(tài)），|B>是亮態(tài)（易操作的態(tài)）。這個實(shí)驗(yàn)用的是超導(dǎo)電路人工構(gòu)建的三能級系統(tǒng)，信噪比相比真實(shí)的原子能級還要差很多。

 

實(shí)驗(yàn)用到的弱測量技術(shù)，就是把原本基態(tài)|G>的粒子數(shù)（這個實(shí)驗(yàn)用的是超導(dǎo)電流）分出一點(diǎn)點(diǎn)，讓它和|D>形成疊加態(tài)，同時|G>剩下的粒子數(shù)繼續(xù)和|B>疊加，這兩個疊加態(tài)（幾乎）是獨(dú)立的，（幾乎）不互相影響。例如通過光（微波）強(qiáng)控制兩個躍遷拉比頻率，就能讓概率幅在|B>接近1時，在|D>上也接近1。這時測量|G>和|B>的疊加態(tài)，會發(fā)現(xiàn)粒子數(shù)塌縮在了|B>上面。此時盡管|G>和|D>的疊加態(tài)沒塌縮，也能知道概率幅都在|D>上面，再測量|G>和|D>的疊加態(tài)結(jié)果就是粒子數(shù)塌縮在了|D>上。所以測量|G>和|B>的疊加態(tài)本身還是個引起隨機(jī)塌縮的測量，但這個測量對于|G>和|D>的疊加態(tài)來說卻不引起疊加態(tài)塌縮（僅有很微弱的改變），同時還能監(jiān)視|G>和|D>的疊加態(tài)演化到什么程度了，這就成為了相對|G>和|D>疊加態(tài)的弱測量。

 

如果這個三能級系統(tǒng)只有一個粒子，那么塌縮在|B>上的粒子數(shù)為1時，塌縮在|D>和|G>上的粒子數(shù)為零。但這個三能級系統(tǒng)是用超導(dǎo)電流人工制備出來的，相當(dāng)于有很多電子可用。當(dāng)測量到一些電子塌縮在|B>上之后，仍可以有一些電子處于|D>和|G>的疊加態(tài)。所以多粒子系統(tǒng)保證了這個實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)行。這和冷原子實(shí)驗(yàn)非常類似，即大量原子具備相同的能級系統(tǒng)，疊加態(tài)的概率可以反映在相對原子數(shù)上。雖然這個實(shí)驗(yàn)宣稱的用是量子非破壞性測量（QND），但實(shí)際效果和弱測量最相似。

 

上帝依然擲骰子

 

用一句話總結(jié)，這篇Nature論文里用了實(shí)驗(yàn)技巧去弱測量一個確定性過程，主動避開了對這個過程能導(dǎo)致隨機(jī)結(jié)果的測量，一切都符合量子力學(xué)預(yù)言，對量子力學(xué)的測量隨機(jī)性沒任何影響。所以愛因斯坦沒翻身，上帝依然擲骰子。

 

這篇Nature論文只是又一次驗(yàn)證了量子力學(xué)的正確，為什么會引起這么大的誤解？這里我不得不吐槽一下。這與作者們在摘要和引言里立的錯誤靶子脫不了干系。估計(jì)是為了制造大新聞，他們找到了玻爾在1913年提出的量子躍遷瞬時性的想法做靶子[3]，但這個想法早在1925年海森堡方程和1926年薛定諤方程提出（也就是量子力學(xué)正式建立）之后就被否定了，他們在論文里也明確說了實(shí)驗(yàn)其實(shí)驗(yàn)證了薛定諤關(guān)于躍遷是連續(xù)確定演化的觀點(diǎn)。把玻爾搬出來，很可能是為了營造一個和愛因斯坦對立的效果，延續(xù)世紀(jì)論戰(zhàn)，多博取關(guān)注。但是在量子躍遷這個問題上，是玻爾最早的想法錯了，海森堡和薛定諤對了，不關(guān)愛因斯坦什么事。

 

 

玻爾（左）和愛因斯坦（右）。圖片來源：Wikimedia Commons

 

這篇論文的英文報道[4]的作者是Phillip Ball，他盡管寫過很多優(yōu)秀的科學(xué)新聞，但這次大概是碰到了知識盲點(diǎn)，整個報道寫的也是故弄玄虛，沒抓到重點(diǎn)，還把海森堡拉去陪玻爾一起給瞬時躍遷背鍋（不知道海森堡方程和薛定諤方程實(shí)質(zhì)等價嗎？）。然后中文媒體再翻譯過來，其它自媒體再自由發(fā)揮一通，就變成了科學(xué)傳播的“車禍現(xiàn)場”。

 

筆者幾年前在丹麥Aarhus大學(xué)物理系做博士后時（Aarhus物理系大概一百年前是從哥本哈根大學(xué)物理系——即現(xiàn)在的玻爾研究所分出來的，這樣也算和玻爾扯上點(diǎn)淵源），也做過一個監(jiān)視超冷原子相變的量子弱測量實(shí)驗(yàn)，可不敢像耶魯這個團(tuán)隊(duì)這樣立靶子吹牛，文章后來發(fā)的很普通的英國物理學(xué)會雜志。量子技術(shù)既然瞄準(zhǔn)的是第二次信息革命，未來的應(yīng)用才決定其價值，而不應(yīng)該沾染為了發(fā)頂級期刊而嘩眾取寵的風(fēng)氣。這樣做即使一時受寵，很快還是會被歷史埋沒。

 

題圖來源：Pexels

 

參考文獻(xiàn)：

[1] Z. K. Minev, et. al., To catch and reverse a quantum jump mid-flight, Nature 570, 200–204 (2019)

[2]一般的高等量子力學(xué)教材中都有專門的章節(jié)講怎么用含時薛定諤方程描述量子躍遷，在量子光學(xué)教材中有更細(xì)節(jié)的光與二能級原子相互作用的半經(jīng)典模型，光學(xué)Bloch方程，全量子J-C模型等，無一例外都屬于含時薛定諤方程。

[3] N. Bohr, On the constitution of atoms and molecules. Part I. Binding of electrons by positive nuclei. Phil. Mag. 26, 1–25 (1913).

[4] https://www.quantamagazine.org/quantum-leaps-long-assumed-to-be-instantaneous-take-time-20190605/

 

本文作者張文卓，筆名九維空間，物理學(xué)博士。現(xiàn)任中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院）副研究員。本章于2019年6月20日發(fā)于微信公眾號 我是科學(xué)家iScientist

 

文章來源于我是科學(xué)家iScientist ，作者張文卓