拍摄量子测量的快照意味着什么？物理学奖得主独家深度点评

编者按：

今年二月，世界顶尖科学家协会（WLA）首次面向全球发布年度报告。这份主题为《希望之光，疫情下的科学突破》的报告，汇集15位诺贝尔奖得主在内的30位世界顶尖科学家，以引领学科发展的前瞻性视野，深度点评过去一年的科学突破，打造科学界风向标。

WLA年度发布 图 | WLA上海中心

“拍摄量子测量的快照”这个主题相当重要，它表明量子跃迁是连续不间断地进行着，而不是瞬时的。这使我们对量子力学的内部运作有了更深入的了解，并且能给量子计算带来一些新的启示。

活与死并存——薛定谔的猫

众所周知，量子力学最经典的比喻是“活与死并存的薛定谔的猫”，电子在被观测前，处于混乱的“不确定”状态；一旦被测量，则会坍塌成一个确定状态。因此，是否能够达成一项理想的量子测量，让系统里的一部分电子既被观察又不会让整个系统坍塌呢？

既死又活的薛定谔的猫

图 | memecenter

瑞典斯德哥尔摩大学马尔库斯·海因里希（Markus Hennrich）等人，以及德国锡根大学、西班牙巴斯克及塞维利亚地区的研究者，运用一系列“弱”测量（获2011年《物理世界》科研突破奖）探测量子力学中叠加态坍缩的本质。

这个团队在以单个锶离子为对象展开的实验中拍摄了一系列“快照”，结果表明，测量不是瞬间把量子叠加态变成经典状态的，而是逐步做到这点的，该项工作或许有助于改善量子计算机的误差校正能力。

化学元素—— 锶离子

图 | britannica

对于这项技术突破，2016年诺贝尔物理学奖得主、世界顶尖科学家协会（WLA）会员迈克·科斯特利茨（Mike Kosterlitz）提到，这是量子力学测量非常重要的第一步，量子力学测量的实际意义以及对它的理解方式，将会给量子计算带来一些新的启示。

同时，另一位2006年诺贝尔物理学奖得主、WLA会员乔治•斯穆特三世（Georges Smoot III）从“量子力学中的理想测量是什么？”这个问题开始，为大家分析了这项技术的重要性，并分享了自己在这方面的研究经验。

物理学诺奖科学家深度点评

乔治•斯穆特三世

Georges Smoot III

2006年诺贝尔物理学奖得主、WLA会员

在量子力学开始之初，人们认为对量子系统进行理想的测量将不可避免地破坏所有的量子叠加态。后来，德国理论物理学家吕德斯（G.
Luders）指出某些叠加态应该会幸存，在一系列理想测量下，系统会保留量子相干性。海因里希等人的这项工作在证明这点上迈出了一大步。他们利用荧光检测单个锶离子。荧光是在离子阱或实现量子信息处理的类似装置中读出量子比特的标准方法。这种荧光读取是理想测量过程的主要示例：通过促进量子系统的|
0>态与光子环境之间的强相互作用，被测量的系统与宏观指针态（我们认为是经典物理系统）相关联。然后，对宏观光子环境进行测量即可揭示系统的状态，而这次的案例是锶离子。原则上，测量是以不会对量子态产生干扰的方式读取的，从而不会改变它的量子信息。换句话说，他们是以不改变量子信息和关联的方式观察了锶离子的态。对于量子计算，这显然是向前迈出的重要一步，不仅允许态的读取而且可以进行态的纠错。

海因里希等人的这项工作及相关工作的一个副产物是，它们表明量子跃迁是连贯而且连续地进行的，而不是瞬时的。这使我们对量子力学的内部运作有了更深入的了解。量子力学的工作方式与我们经典物理学思维和日常经验有巨大的不同。在量子力学发展之处，所有杰出的物理学家都沉浸于经典物理学中并经过充分的确定性方法的训练。当遇到波粒二象性和来自于非常简单的相互作用的概率结果时，都是经历了巨大的冲击。阿尔伯特·爱因斯坦在1945年有一句著名的拒绝相信量子力学的言论：“上帝不会与宇宙玩骰子”。

爱因斯坦名言 图 | mastertrick

随着量子力学理论的发展，最大的障碍之一是当手边的系统像波一样传播并像粒子一样相互作用时，波函数会立即坍缩。波函数的坍缩是由扩散的波函数到局域的粒子的转化。

这是我在课堂上针对单粒子情况所讲授的一个概念，更普遍地说法是：在量子力学中，波函数坍缩发生在最初由几个本征态叠加而成的波函数由于与外部世界的相互作用而降为一个本征态的时候。外部世界是指物理学家所熟知的经典物理的世界。

测量问题的另一个方面是，波函数坍塌似乎违反了宇宙的速度极限，即光速。爱因斯坦和两位同事在一篇著名的论文中指出了这一点，这篇1935年的论文因三位作者的姓氏而被昵称为“EPR论文”——爱因斯坦（Einstein）、波多尔斯基（Podolsky）、罗森（Rosen）。“物理现实的量子力学描述能否完整？”这是有史以来引用最多的物理学论文之一。它解决了当波函数坍塌时，除一个位置外的所有位置和量子态的瞬态概率为0％，而该位置（检测到光子的位置）的概率为100％。波动函数描述的所有其它位置如何瞬时获得光子随后在一个位置检测到的信息？概率的转换似乎是瞬时的，而“瞬时”比光速快，这违反了已被充分证实过的相狭义相对论。

量子力学理论发展仍受到阻碍 图 | britannica

在对这个波函数的描述中，也违反了“局域性”。局域性是指物体只受物理上与它接触的物体影响的原则。任何能接触到其它物体的物体都不能超过光速。即当我们听到一首交响乐在全世界广播时，局域性也被保留了下来。声音以空气分子振动和电磁无线电波振动的物理接触形式传播，最后，振动的空气分子碰到我们的耳鼓。而这些波的传播速度决不会超过光速。

然而，尽管这个概念困扰了我和其他许多人很多年。我们采取了能够进行计算的处理方式，但感觉还是有些东西被遗漏了或没有得到正确的解释。虽然世界每天都会发生量子纠缠，但我们通常无法感知它的存在。而现在经过了量子计算、通信和实际工程上的各种努力，我们已经有实验证明了它的行为和可被开发为实用系统，以将其用于互联网和通信系统。

令人兴奋的是，我们知道更多的实验和观测正在阐明量子力学神秘部分的实际工作原理。