量子力學理論的標準解釋認為(wei) ，量子場內(nei) 的變化不可預測且是瞬時的。在難以觀測的微觀世界裏，闡明量子躍遷的性質，一直是困擾物理學家的重要難題。

1986年，研究人員通過實驗首次證實量子躍遷是一種能被觀測和研究的實驗現象。從(cong) 那時起，科學家借助不斷發展的技術，對這種神秘現象進行了更深入的觀察。2019年的一項研究顯示，量子躍遷的過程可以被預測，且開始後可以被阻斷。近期，一項新的理論研究更深入挖掘了量子躍遷過程，以及它何時會(hui) 發生。研究顯示，這個(ge) 看上去簡單和基礎的現象，實際上十分複雜。

預測量子躍遷

美國耶魯大學研究人員通過一種幹擾度最小的裝置來監測量子躍遷進程。每一次躍遷都發生在一個(ge) 超導量子比特的兩(liang) 個(ge) 能態之間，這個(ge) 小循環可用於(yu) 模擬原子中離散量子能態的超導微環路。研究人員測量了低能態係統中量子比特的“附加活動”——可被觀測設備捕捉但不會(hui) 影響量子係統的運行。

研究中的“附加活動”是一種監測設備所捕捉的、由係統散發的光子信號，這表明光子未被係統吸收、躍遷尚未發生。這種方式首次實現了對量子躍遷的間接監測，揭示了一個(ge) 重要的性質：在“附加活動”中，量子向高能態躍遷之前會(hui) 有一個(ge) 停頓。而科學家可以通過這種停頓預測甚至阻止量子躍遷。

躍遷過程由係統低能態開始也稱為(wei) 基態；當躍遷至係統高能態時，也稱為(wei) 激發態，隨後躍遷路徑轉向，再次回到基態。文章作者Kyrylo Snizhko是德國卡爾斯魯厄理工學院的一名博士後學者，他表示，模擬實驗顯示，在這個(ge) 可間接預測或幹擾量子躍遷中，一定存在一個(ge) 不可捕捉的組分。

具體(ti) 來說，量子躍遷從(cong) 激發態向基態的回落過程，並不總是平滑和可預測的，這就是作者所描述的“不可捕捉”的組分。研究指出，觀測設備與(yu) 受測係統的“連接度”，對係統躍遷有直接影響。在這一過程中，量子躍遷由觀測的時間尺度而非躍遷過程定義(yi) 。觀測設備和量子係統的連接可能很弱，在這種情況下，通過信號的暫停能預測量子躍遷。

量子係統的轉變通過基態和激發態的混合實現，這稱為(wei) 量子係統的疊加態。然而，在觀測設備和係統的聯係超過一定閾值時，這種係統疊加態就會(hui) 趨向某一個(ge) 能值，並保持相對穩定，直至再次突然回到基態。論文的共同作者Parveen Kumar解釋道，這意味著，即使我們(men) 一開始成功預測了量子躍遷發生，但無法避免會(hui) 再次“跟丟(diu) ”係統。

而即使在躍遷可預測的期間，也會(hui) 存在一些差異。Snizhko表示，這些過程中還包含著一種不可預測的組分。可捕捉的量子躍遷通常具有一個(ge) 處在基態和激發態的疊加態上的躍遷“軌跡”，但整體(ti) 的躍遷軌跡並沒有明確的方向或終點。

量子物理正在坍縮

Zlatko Minev是微軟托馬斯沃森研究中心的研究員，也是這項耶魯大學研究的第一作者。他表示這項新的理論研究“在以量子比特作為(wei) 參數的實驗條件下，描繪闡述了一個(ge) 簡單清晰的量子躍遷模式”。他認為(wei) ，這項研究與(yu) 先前的耶魯實驗互相參照，顯示“相比於(yu) 我們(men) 之前的認識，量子躍遷軌跡的離散性、隨機性和可預測性還有待更廣闊而充分的研究。”

具體(ti) 而言，耶魯大學進行的研究首次揭示了量子躍遷的微妙行為(wei) ——係統從(cong) 基態到激發態的躍遷能被預測，表明量子世界中部分是可以預測的。這在此前曾被認為(wei) 是不可能的。當Minev首次與(yu) 組內(nei) 的其他研究者討論預測量子躍遷的可行性時，受到了一位同事激烈的回擊：“躍遷軌跡如果能預測，量子物理界就要坍縮了！”

“我們(men) 的實驗最終成功了，並且推斷出量子躍遷整體(ti) 路徑是隨機和離散的。然而，在更精密的時間尺度上，每一步躍遷都是連續而逐步開展的。這二者盡管看似矛盾，卻是量子躍遷中同時存在。” Minev解釋道。

而這一躍遷過程能應用到整個(ge) 物質世界嗎，如預測實驗室外的原子？Kumar還不確定，而很大部分原因在於(yu) 研究條件上的過多限製。Kumar說：“推廣這項研究當然很令人興(xing) 奮。”如果未來不同的觀測設備都得到了類似結果，那麽(me) 這種量子行為(wei) 將能解釋量子世界的更多基本性質：在量子世界中，事件在某種意義(yi) 上同時具有隨機性和可預測性、離散性和連續性。

量子躍遷是自然界中最基本、最原始的物理問題，但一直很難被真正觀測到。直到最新的科技進展扭轉了這一局勢。美國華盛頓大學的助理教授Kater Murch表示：“耶魯大學的實驗啟發了這項理論研究，為(wei) 解決(jue) 這個(ge) 數十年的物理難題打開了全新的局麵。在我心目中，實驗與(yu) 理論的相輔相成，最終轉變我們(men) 這些理論物理學家對世界的認知，為(wei) 日後的新發現奠定了基礎。”

（韓佳桐翻譯，據《環球科學》）