艾德思：张文卓量子力学随机性被推翻了事情才没那么简单

近日,一则名为"薛定谔的猫终于有救了,Nature 研究首次观测到量子跃迁过程'的新闻报道刷屏.诸如"耶鲁大学实验推翻量子力学随机性'"爱因斯坦又蒙对了'等等标题党纷纷出现,仿佛战无不胜的量子力学一夜之间阴沟翻船一样,很多文青纷纷哀叹宿命论又回来了.然而,事实真的如此?还是报道偏差歪曲了文章本意?

什么是量子力学随机性?

咱们先搞懂量子力学的随机性说的是什么,再看看这篇文章做了什么.

根据数理双修的大师冯诺依曼的总结,量子力学有两个基本的过程,一个是按照薛定谔方程确定性地演化,另一个是因为测量导致的量子叠加态随机塌缩. 薛定谔方程是量子力学核心方程,它是确定性的,跟随机性无关.那么量子力学的随机性只来自于后者,也就是来自于测量.

这个测量随机性正是让爱因斯坦最无法理解的地方,他用了"上帝不会掷骰子'这个比喻来反对测量随机性,而薛定谔也假想了测量一只猫的生死叠加态来反对过它.

薛定谔选猫作为实验对象是不是因为猫爱钻盒子……图片来源:Unsplash

但是无数的实验证实,去直接测量一个量子叠加态,它的结果就是随机在其中一个本征态上(概率为叠加态中每个本征态的系数模平方),这就是量子力学最重要的测量问题.为了解决这个问题,诞生了量子力学多个诠释, 其中主流的三个诠释为哥本哈根诠释/多世界诠释和一致历史诠释.

哥本哈根诠释认为,测量会导致量子态塌缩,即量子态瞬间被破坏,随机跌到一个本征态上;多世界诠释觉得哥本哈根诠释太玄了,于是就搞了个更玄的,认为每一次测量就是世界的一次分裂,所有本征态的结果都存在,只是互相完全独立(正交),干扰不到对方,我们只是随机地在某一个世界当中;一致历史诠释引入了量子退相干过程,解决了从叠加态到经典概率分布的问题.但是在选择哪个经典概率上,还是回到了哥本哈根诠释和多世界诠释的争论.

从逻辑上看,多世界诠释和一致历史诠释的结合对解释测量问题似乎是最完美的,多个世界组成一个总的叠加态,即保留了"上帝视角'的确定性,又保留了单一世界视角的随机性.但物理学是以实验为准的科学,这些诠释预言了同样的物理结果,相互之间不可证伪,那么物理意义就是等价的, 所以学术圈还是主要采用哥本哈根诠释,即用塌缩(collapse)这个词代表测量量子态的随机性.

耶鲁大学的文章说了什么?

那么我们再看看耶鲁大学这篇Nature文章[1]做了什么.先铺垫一个量子力学知识,那就是 量子跃迁是一个量子叠加态完全按照薛定谔方程演化的确定性过程 [2],即在基态|G>上的概率幅按照薛定谔方程连续地转移到激发态|E>上,再连续地转移回来,形成一个振荡(频率称为拉比频率),它属于冯诺依曼总结的第一类过程.

这篇文章测的就是这样一个确定性的量子跃迁,所以得到确定性结果毫无意外. 论文的卖点在于怎样不让这个测量破坏掉原本的叠加态,或者怎样让量子跃迁不会因突如其来的测量而停止.这个也不是多么神秘的技术,而是量子信息领域目前广泛应用的"弱测量'方式.

我们来看这篇nature文章里的实验用到的能级图,是一个三能级系统,|G>是基态,|D>是一个激发态,称为暗态(不易受影响的态),|B>是亮态(易操作的态).这个实验用的是超导电路人工构建的三能级系统,信噪比相比真实的原子能级还要差很多.

实验用到的弱测量技术,就是把原本基态|G>的粒子数(这个实验用的是超导电流)分出一点点,让它和|D>形成叠加态,同时|G>剩下的粒子数继续和|B>叠加,这两个叠加态(几乎)是独立的,(几乎)不互相影响.例如通过光(微波)强控制两个跃迁拉比频率,就能让概率幅在|B>接近1时,在|D>上也接近1.这时测量|G>和|B>的叠加态,会发现粒子数塌缩在了|B>上面.此时尽管|G>和|D>的叠加态没塌缩,也能知道概率幅都在|D>上面,再测量|G>和|D>的叠加态结果就是粒子数塌缩在了|D>上.所以测量|G>和|B>的叠加态本身还是个引起随机塌缩的测量,但这个测量对于|G>和|D>的叠加态来说却不引起叠加态塌缩(仅有很微弱的改变),同时还能监视|G>和|D>的叠加态演化到什么程度了,这就成为了相对|G>和|D>叠加态的弱测量.

如果这个三能级系统只有一个粒子,那么塌缩在|B>上的粒子数为1时,塌缩在|D>和|G>上的粒子数为零.但这个三能级系统是用超导电流人工制备出来的,相当于有很多电子可用.当一些电子塌缩在|B>上之后,仍然有一些电子处于|D>和|G>的叠加态.所以多粒子系统也保证了这个弱测量实验可以进行.这和冷原子实验非常类似,即大量原子具备相同的能级系统,叠加态的概率可以反映在相对原子数上.

上帝依然掷骰子

用一句话总结, 这篇nature文章里用了实验技巧去弱测量一个确定性过程,主动避开了对这个过程能导致随机结果的测量,一切都符合量子力学预言,对量子力学的测量随机性没任何影响. 所以爱因斯坦没翻身,上帝依然掷骰子.

这篇nature文章只是又一次验证了量子力学的正确,为什么会引起这么大的误解?这里我不得不吐槽一下. 这与作者们在摘要和引言里立的错误靶子脱不了干系. 估计是为了制造大新闻,他们找到了玻尔在1913年提出的量子跃迁瞬时性的想法做靶子[3],但这个想法早在1925年海森堡方程和1926年薛定谔方程提出(也就是量子力学正式建立)之后就被否定了,他们在文章里也明确说了实验其实验证了薛定谔关于跃迁是连续确定演化的观点.把玻尔搬出来,很可能是为了营造一个和爱因斯坦对立的效果,延续世纪论战,多博取关注.但是在量子跃迁这个问题上,是玻尔最早的想法错了,海森堡和薛定谔对了,不关爱因斯坦什么事.

这篇文章的英语报道[4]的作者是Phillip Ball,他尽管写过很多优秀的科学新闻,但这次大概是碰到了知识盲点,整个报道写的也是故弄玄虚,没抓到重点,还把海森堡拉去陪玻尔一起给瞬时跃迁背锅(不知道海森堡方程和薛定谔方程实质等价吗?).然后中文媒体再翻译过来,其它自媒体再自由发挥一通,就变成了科学传播的"车祸现场'.

笔者几年前在丹麦Aarhus大学物理系做博士后时(Aarhus物理系大概一百年前是从哥本哈根大学物理系——即现在的玻尔研究所分出来的,这样也算和玻尔扯上点渊源),也做过一个监视超冷原子相变的量子弱测量实验,可不敢像耶鲁这个团队这样立靶子吹牛,论文后来发的很普通的英国物理学会杂志.量子技术既然瞄准的是第二次信息革命,未来的应用才决定其价值,而不应该沾染为了发顶级期刊而哗众取宠的风气.这样做即使一时受宠,很快还是会被历史埋没.

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

[2]一般的高等量子力学教材中都有专门的章节讲怎么用含时薛定谔方程描述量子跃迁,在量子光学教材中有更细节的光与二能级原子相互作用的半经典模型,光学Bloch方程,全量子J-C模型等,无一例外都属于含时薛定谔方程.

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

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