量子理论揭开测量难题的神秘面纱

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最近的一项测试证实了量子轨迹理论做出的预测,该理论描述了量子系统在长久以来不为人知的“崩溃”期间居于的一切。

想象一下,可能当当当让我们 的所有科学理论与模型这么提供平均值,结果会如可?例如,最准确的天气预报也这么预测下个月每一天的平均降雨量,可能说,天文学家这么预测每次日食之间的平均间隔时间。

在量子力学的研究早期,这似乎是四种 无法补救的局限性:其提出的是概率论,这么问当当当让我们 可能当当当让我们 分类分类整理到一定量事件可能粒子记录,将并能观察出如可的平均难题。对于薛定谔(他发现的同名方程规定了量子对象的行为最好的办法)而言,考虑特定的原子或电子的实时情况汇报删剪这么意义。他曾在1952年时写道,“这是四种 公平的观察最好的办法,当当当让我们 并这么关注单一粒子。当当当让我们 正在认真研究事件居于后的记录。”换句话说,量子力学似乎只适用于一定量粒子的“集合”。耶鲁大学的物理学家Michel Devoret也表示,“当整体规模足够大时,才有可能获得丰富的统计数据以检测预测结果否有正确。

不过还有另四种 最好的办法可用于制定量子力学规则,从而讨论单一量子系统中居于的单一事件。你你是什么最好的办法被称为“量子轨迹理论(QTT)”,其与量子力学的标准形式删剪兼容,可能说好多好多 对量子行为的更为细致的观察视角。在对一定量事件的平均值进行计算完后 ,你你是什么最好的办法终于当当让让让我们 再次回归到标准的描述方向上来。

毕业于耶鲁大学Devoret实验室的Zlatko Minev博士指出,作为对薛定谔悲观主义观点的直接挑战,“QTT并能准确补救单一粒子及其正在居于的事件。”通过将QTT应用于量子电路上的实验,Minev和他的同事最近终于并能捕捉到“量子跃迁”难题(即四种 量子能态之间的转换)随时间推移的展开过程。在这项卓越的成就当中,当当当让我们 准确把握住了量子跃迁的瞬间并加以逆转。

Devoret表示,“量子轨迹理论并能做出无法通过标准公式得到的预测结果。”具体来讲,其并能预测单一量子对象(例如粒子)在受到观察时的行为最好的办法,可能说在受到测量时的行为最好的办法。

薛定谔的议程无法得出你你是什么结果。当当当让我们 这么不测量对象物体,并能完美地预测出其如可随时间而演变。或者 一旦加以测量,当当当让我们 就这么通过薛定谔方程得出对一定量测量得出的预测结果的平均值,而非任何单一系统的预测值。举例来说,该方程无法问当当当让我们 单一量子否有居于了跃迁。

薛定谔方程固然又被称为“测不准”方程,是可能居于四种 名为量子反作用的特殊难题。对量子的测量会影响被观察的系统:观察行为会将四种 随机噪声注入系统之内。这也是著名的海森堡不选着性原则的来源。正如海森堡当初所提到,测量当中的不选着性并不在 于笨拙测量手段对于微妙量子系统的影响——即所谓光子撞击粒子并将其推向累积轨道的说法。相反,观察四种 就居于着内生的随机化效应,这是四种 不可补救的结果。薛定谔方程在预测量子系统将如可演化方面相当准确——但前提是并不测量,可能测量会是因为结果变得不可预测。

Devoret表示,当当当让我们 可不这么把量子反作用理解成系统与测量仪器之间无法完美匹配的结果,可能在观察完后 当当当让我们 删剪问你系统的情况汇报。这就像是行星居于望远镜对焦区域之外,图像必然会呈现出模糊的效果。

然而,QTT有望带来不一样的结果。但难题在于,可能使用QTT,当当当让我们 这么对当前正在观察的系统行为拥有相当全面的理解。通常情况汇报下,对量子系统的观察往往会忽略一定量潜在可用信息:例如,一累积射出的光子会在环境当中丢失。或者 ,一旦当当当让我们 测量并了解到系统中的所有内容——包括由反作用引发的随机后果,则可不这么在测量设备中建立反馈,从而通过连续调整以抵消反作用影响。换言之,QTT的作用离米 调整望远镜的方向以确保作为观察对象的卫星始终保持在中心位置。

为了实现你你是什么目标,测量装置这么以高于系统实际变化的强度快一点 分类分类整理数据,且整个过程的强度这么近乎完美。Devoret表示,“基本上,所有抛下系统并被环境吸收的信息都得由测量仪器记录下来。”还是用天文学进行呼告,这就像是行星这么仅由发射自天文台的光照亮,并通过四种 最好的办法将反射回来的光全累积类分类整理起来。

光是听起来,就知道你你是什么程度的信息控制与捕获过程具有极大的挑战性。麻省理工学院的William Oliver指出,正可能这么,实在QTT可能居于了几十年,“但直到过去五年之内,当当当让我们 才得以在实验中进行测试。”Minev开发出的创新技术并能确保高达91%的量子测量强度。他表示,“这项关键性技术进展使当当当让我们 得以将好多好多 的预测,转变为可验证且可实施的实验过程。

Devoret解释称,凭借哪些地方地方创新,“当当当让我们 有望根据近期活动记录随时了解系统的位置。当然,长期层面中的或者 活动形状仍然无法预测。”更重要的是,你你是什么关于系统如可随时间推移而平滑变化的删剪知识将使得研究人员并能进行记录“倒带”,并补救标准量子形式主义中提出的明显不可逆的“波函数崩溃”。通过你你是什么最好的办法,研究人员将并能在居于的一瞬间实现对量子跃迁的逆转。

QTT与实验结果之间良好的一致性也证明,该理论实在适用于单一量子系统。具体来讲, 这是因为该理论所提出的淬硬层 抽象的“量子轨迹”(由耶鲁大学论文联协作者者,物理学家Howard Carmichael在上世纪九十年代创造的术语)实在具有实际意义。用Minev话语来解释,量子轨迹“可归于四种 程度的现实”。你你是什么结论无疑颠覆了好多好多 的量子物理学认知,当时当当当让我们 认为所谓量子轨迹好多好多 四种 这么明确物理意义的数学工具。

或者 ,你你是什么轨迹究竟是哪些地方?有或者 是非常明确的:它并不像行星运行轨迹那样拥有明确的路线。相反,它更像是系统可能具有的删剪潜在情况汇报在抽象空间中所最好的办法的路线,当当当让我们 将你你是什么抽象空间称为希尔伯特空间。在传统量子理论当中,该路径由薛定谔议程的波函数进行描述。但最重要的是,QTT还并能补救测量如可影响该路径的难题,而薛定谔方程无法做到你你是什么点。总结而言,QTT理论利用对系统迄今为止所有细致、删剪活动最好的办法进行观察,从而预测其未来将表现出如可的情况汇报。

为了易于理解,当当当让我们 也可不这么将其理解成尝试预测单一空气分子的运动轨迹。薛定谔议程的作用有点像经典扩散议程,其并能预测你你是什么粒子在经历碰撞时随时间推移平均会产生多大的位移,但QWTT则并能根据粒子完后 经历过的具体碰撞信息预测特定粒子的去向。随机性仍在其中发挥作用:在任何情况汇报下,当当当让我们 都无法完美地预测出实际轨迹。但QTT并能帮助当当当让我们 了解单一粒子的过往情况汇报,并当当让让让我们 在一定程度上预测出该粒子接下来将去向何方。