量子跃迁的新研究，打破了量子物理学的核心原理

量子力学是一种在非常小的尺度上描述宇宙物理的理论，它以违背常识而著名。例如，该理论表明，从一种状态转移到另一种状态的过程被认为是不可预测的，而且是瞬间发生的。换句话说，如果在我们熟悉的世界里发生的事情与原子内部发生的事情类似，我们就可以预料到，不用经过任何中间步骤，面团就会变成一个完全烤好的蛋糕。当然，日常经验告诉我们事实并非如此，但对于难以探索的微观领域，这种“量子跳跃”的真实本质在物理学中一直是一个重要但未解决的问题。

然而，近几十年来，技术的进步使得物理学家可以在实验室环境中更仔细地探索这个问题。最根本的突破出现在1986年，当时研究人员第一次通过实验验证了量子跃迁是可以观察和研究的物理事件。从那以后，稳步的技术进步逐渐打开了这一神秘现象的大门。值得注意的是，2019年发表的一项实验推翻了关于量子跃移的传统观点，该实验证明，量子跃移一旦开始，运动就可以预测，甚至可以中途停止。

这项在耶鲁大学进行的实验使用了一种设置，让研究人员以最小的干扰来监控量子跃迁。每一次跃迁都发生在超导量子位的两个能量值之间。超导量子位是一种用来模拟原子特性的微型电路。研究小组测量了系统能量较低时在电路中发生的“侧边活动”。这有点像只听特定的关键词，就能知道另一个房间的电视上正在播放哪个节目。这种间接探测回避了量子实验中最重要的问题之一，即如何避免影响正在观察的系统。这些测量被称为“滴答声”（计数器在探测放射性时发出的声音），它们揭示了一个重要的特性，即在跃迁到更高能量之前，即侧边活动总会暂停。这最终使研究小组能够预测量子跃迁，甚至可以随意阻止跃迁。

现在，一项新的理论研究更深入地研究量子跃迁。它发现这个看似简单而又基本的现象实际上非常复杂。这项新的研究，一步一步地模拟了量子跃迁，从系统最初的低能量状态（称为基态）到更高的能量状态（称为激发态），最后跃迁回基态。

具体来说，研究人员所说的“不可捕捉”是指回到基态的过程并不总是平稳和可预测的。相反，研究结果表明，这样一个事件的演变取决于测量设备与系统的“连接”。这种连接可能很弱，在这种情况下，量子跃移也可以通过量子比特的侧边活动的暂停来预测。

系统通过激发态和基态的混合进行跃迁，这是一种被称为叠加的量子现象。但有时，当连接超过某一阈值时，这种叠加将向特定值移动，并倾向于保持该状态。在这种特殊情况下，这种概率性的量子跃迁无法预测，也无法在中途逆转。

但在研究最初可捕捉的跃迁时，还有更多的细微差别。即使是这些也有不可预测的因素。一个可以捕捉到的量子跃迁总是沿着一个“轨迹”通过激发态和基态的叠加进行，但不能保证这个跃迁会永远结束。在轨迹的每一点上，都有可能继续跳跃，也有可能回到基态。轨迹是完全确定的，但系统是否会完成轨迹是不可预测的。”

这种行为出现在耶鲁实验的结果中。进行这项工作的科学家们把这种可捕捉的跃迁称为“不确定性海洋中的可预测性岛屿”。

量子物理学被打破了

这篇新的理论论文结合耶鲁大学的实验结果表明，量子力学的离散性、随机性和可预见性比人们通常认为的要多得多”具体来说，量子跃迁令人惊讶的微妙行为（从基态到激发态的跳跃可以被预测）暗示了量子世界固有的某种程度的可预测性，这是以前从未被观察到的。如果它没有经过实验验证的话，一些人甚至会认为它是不可能的。当米涅夫第一次与他的团队中的其他人讨论可预测的量子跳跃的可能性时，一位同事大声回应道，

如果这是真的，那么量子物理就被打破了！

“最终，我们的实验成功了，我们可以由此推断出量子跃迁是随机和离散的，”米涅夫说。然而，在更精细的时间尺度上，它们的进化是连续的。这两种看似对立的观点并存。

至于这些过程是否适用于整个物质世界还有待进一步研究，这在很大程度上是因为这项研究的条件非常具体。如果不同测量设置的结果是相似的，那么量子跃迁在某种意义上既随机又可预测，既离散又连续的事件，这可以反映出量子世界更普遍的特性。

与此同时，这项研究的预测将很快得到验证。这些效应可以在当今最先进的超导量子系统中观察到。在很长一段时间里，量子跃迁（自然界中最基本的过程）被认为几乎不可能被探测到。但技术进步正在改变这一点。它揭示了一个研究了几十年的物理问题的新方面。在我看来，实验确实有助于理论家们思考事物的方式，这将导致新的发现。

不过，这个谜团可能不会就此消失。我不认为量子跃迁问题会在短时间内完全解决；它在量子理论中根深蒂固。但通过使用不同的测量和跳跃，我们可能会偶然发现一些实际有用的东西。