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近日，一則名為“薛定諤的貓終于有救了，Nature 研究首次觀測(cè)到量子躍遷過(guò)程”的新聞報(bào)道刷屏。諸如“耶魯大學(xué)實(shí)驗(yàn)推翻量子力學(xué)隨機(jī)性”“愛(ài)因斯坦又蒙對(duì)了”等等標(biāo)題黨紛紛出現(xiàn)，仿佛戰(zhàn)無(wú)不勝的量子力學(xué)一夜之間陰溝翻船一樣，很多文青紛紛哀嘆宿命論又回來(lái)了。然而，事實(shí)真的如此？還是報(bào)道偏差歪曲了論文本意？

刷屏的新聞報(bào)道。圖片來(lái)源：百度搜索截圖

什么是量子力學(xué)隨機(jī)性？

咱們先搞懂量子力學(xué)的隨機(jī)性說(shuō)的是什么，再看看這篇論文做了什么。

根據(jù)數(shù)理雙修的大師馮諾依曼的總結(jié)，量子力學(xué)有兩個(gè)基本的過(guò)程，一個(gè)是按照薛定諤方程確定性地演化，另一個(gè)是因?yàn)闇y(cè)量導(dǎo)致的量子疊加態(tài)隨機(jī)塌縮。薛定諤方程是量子力學(xué)核心方程，它是確定性的，跟隨機(jī)性無(wú)關(guān)。那么量子力學(xué)的隨機(jī)性只來(lái)自于后者，也就是來(lái)自于測(cè)量。

這個(gè)測(cè)量隨機(jī)性正是讓愛(ài)因斯坦最無(wú)法理解的地方，他用了“上帝不會(huì)擲骰子”這個(gè)比喻來(lái)反對(duì)測(cè)量隨機(jī)性，而薛定諤也假想了測(cè)量一只貓的生死疊加態(tài)來(lái)反對(duì)過(guò)它。

薛定諤選貓作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象是不是因?yàn)樨垚?ài)鉆盒子……圖片來(lái)源：Unsplash

但是無(wú)數(shù)的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，去直接測(cè)量一個(gè)量子疊加態(tài)，它的結(jié)果就是隨機(jī)在其中一個(gè)本征態(tài)上（概率為疊加態(tài)中每個(gè)本征態(tài)的系數(shù)模平方），這就是量子力學(xué)最重要的測(cè)量問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題，誕生了量子力學(xué)多個(gè)詮釋，其中主流的三個(gè)詮釋為哥本哈根詮釋、多世界詮釋和一致歷史詮釋。

哥本哈根詮釋認(rèn)為，測(cè)量會(huì)導(dǎo)致量子態(tài)塌縮，即量子態(tài)瞬間被破壞，隨機(jī)跌到一個(gè)本征態(tài)上；多世界詮釋覺(jué)得哥本哈根詮釋太玄了，于是就搞了個(gè)更玄的，認(rèn)為每一次測(cè)量就是世界的一次分裂，所有本征態(tài)的結(jié)果都存在，只是互相完全獨(dú)立（正交），干擾不到對(duì)方，我們只是隨機(jī)地在某一個(gè)世界當(dāng)中；一致歷史詮釋引入了量子退相干過(guò)程，解決了從疊加態(tài)到經(jīng)典概率分布的問(wèn)題。但是在選擇哪個(gè)經(jīng)典概率上，還是回到了哥本哈根詮釋和多世界詮釋的爭(zhēng)論。

從邏輯上看，多世界詮釋和一致歷史詮釋的結(jié)合對(duì)解釋測(cè)量問(wèn)題似乎是最完美的，多個(gè)世界組成一個(gè)總的疊加態(tài)，即保留了“上帝視角”的確定性，又保留了單一世界視角的隨機(jī)性。但物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為準(zhǔn)的科學(xué)，這些詮釋預(yù)言了同樣的物理結(jié)果，相互之間不可證偽，那么物理意義就是等價(jià)的，所以學(xué)術(shù)圈還是主要采用哥本哈根詮釋，即用塌縮（collapse）這個(gè)詞代表測(cè)量量子態(tài)的隨機(jī)性。

耶魯大學(xué)的論文說(shuō)了什么？

那么我們?cè)倏纯匆敶髮W(xué)這篇Nature論文[1]做了什么。先鋪墊一個(gè)量子力學(xué)知識(shí)，那就是量子躍遷是一個(gè)量子疊加態(tài)完全按照薛定諤方程演化的確定性過(guò)程[2]，即在基態(tài)|G>上的概率幅按照薛定諤方程連續(xù)地轉(zhuǎn)移到激發(fā)態(tài)|E>上，再連續(xù)地轉(zhuǎn)移回來(lái)，形成一個(gè)振蕩（頻率稱為拉比頻率），它屬于馮諾依曼總結(jié)的第一類過(guò)程。

圖片來(lái)源：nature.com

這篇論文測(cè)的就是這樣一個(gè)確定性的量子躍遷，所以得到確定性結(jié)果毫無(wú)意外。文章的賣點(diǎn)在于怎樣不讓這個(gè)測(cè)量破壞掉原本的疊加態(tài)，或者怎樣讓量子躍遷不會(huì)因突如其來(lái)的測(cè)量而停止。這個(gè)也不是多么神秘的技術(shù)，而是量子信息領(lǐng)域目前廣泛應(yīng)用的“弱測(cè)量”方法。

圖片來(lái)源：Nature 570, 200–204 (2019)

我們來(lái)看這篇nature論文里的實(shí)驗(yàn)用到的能級(jí)圖，是一個(gè)三能級(jí)系統(tǒng)，|G>是基態(tài)，|D>是一個(gè)激發(fā)態(tài)，稱為暗態(tài)（不易受影響的態(tài)），|B>是亮態(tài)（易操作的態(tài)）。這個(gè)實(shí)驗(yàn)用的是超導(dǎo)電路人工構(gòu)建的三能級(jí)系統(tǒng)，信噪比相比真實(shí)的原子能級(jí)還要差很多。

實(shí)驗(yàn)用到的弱測(cè)量技術(shù)，就是把原本基態(tài)|G>的粒子數(shù)（這個(gè)實(shí)驗(yàn)用的是超導(dǎo)電流）分出一點(diǎn)點(diǎn)，讓它和|D>形成疊加態(tài)，同時(shí)|G>剩下的粒子數(shù)繼續(xù)和|B>疊加，這兩個(gè)疊加態(tài)（幾乎）是獨(dú)立的，（幾乎）不互相影響。例如通過(guò)光（微波）強(qiáng)控制兩個(gè)躍遷拉比頻率，就能讓概率幅在|B>接近1時(shí)，在|D>上也接近1。這時(shí)測(cè)量|G>和|B>的疊加態(tài)，會(huì)發(fā)現(xiàn)粒子數(shù)塌縮在了|B>上面。此時(shí)盡管|G>和|D>的疊加態(tài)沒(méi)塌縮，也能知道概率幅都在|D>上面，再測(cè)量|G>和|D>的疊加態(tài)結(jié)果就是粒子數(shù)塌縮在了|D>上。所以測(cè)量|G>和|B>的疊加態(tài)本身還是個(gè)引起隨機(jī)塌縮的測(cè)量，但這個(gè)測(cè)量對(duì)于|G>和|D>的疊加態(tài)來(lái)說(shuō)卻不引起疊加態(tài)塌縮（僅有很微弱的改變），同時(shí)還能監(jiān)視|G>和|D>的疊加態(tài)演化到什么程度了，這就成為了相對(duì)|G>和|D>疊加態(tài)的弱測(cè)量。

如果這個(gè)三能級(jí)系統(tǒng)只有一個(gè)粒子，那么塌縮在|B>上的粒子數(shù)為1時(shí)，塌縮在|D>和|G>上的粒子數(shù)為零。但這個(gè)三能級(jí)系統(tǒng)是用超導(dǎo)電流人工制備出來(lái)的，相當(dāng)于有很多電子可用。當(dāng)一些電子塌縮在|B>上之后，仍然有一些電子處于|D>和|G>的疊加態(tài)。所以多粒子系統(tǒng)也保證了這個(gè)弱測(cè)量實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)行。這和冷原子實(shí)驗(yàn)非常類似，即大量原子具備相同的能級(jí)系統(tǒng)，疊加態(tài)的概率可以反映在相對(duì)原子數(shù)上。

上帝依然擲骰子

用一句話總結(jié)，這篇nature論文里用了實(shí)驗(yàn)技巧去弱測(cè)量一個(gè)確定性過(guò)程，主動(dòng)避開(kāi)了對(duì)這個(gè)過(guò)程能導(dǎo)致隨機(jī)結(jié)果的測(cè)量，一切都符合量子力學(xué)預(yù)言，對(duì)量子力學(xué)的測(cè)量隨機(jī)性沒(méi)任何影響。所以愛(ài)因斯坦沒(méi)翻身，上帝依然擲骰子。

這篇nature論文只是又一次驗(yàn)證了量子力學(xué)的正確，為什么會(huì)引起這么大的誤解？這里我不得不吐槽一下。這與作者們?cè)谡鸵岳锪⒌腻e(cuò)誤靶子脫不了干系。估計(jì)是為了制造大新聞，他們找到了玻爾在1913年提出的量子躍遷瞬時(shí)性的想法做靶子[3]，但這個(gè)想法早在1925年海森堡方程和1926年薛定諤方程提出（也就是量子力學(xué)正式建立）之后就被否定了，他們?cè)谡撐睦镆裁鞔_說(shuō)了實(shí)驗(yàn)其實(shí)驗(yàn)證了薛定諤關(guān)于躍遷是連續(xù)確定演化的觀點(diǎn)。把玻爾搬出來(lái)，很可能是為了營(yíng)造一個(gè)和愛(ài)因斯坦對(duì)立的效果，延續(xù)世紀(jì)論戰(zhàn)，多博取關(guān)注。但是在量子躍遷這個(gè)問(wèn)題上，是玻爾最早的想法錯(cuò)了，海森堡和薛定諤對(duì)了，不關(guān)愛(ài)因斯坦什么事。

玻爾（左）和愛(ài)因斯坦（右）。圖片來(lái)源：Wikimedia Commons

這篇論文的英文報(bào)道[4]的作者是Phillip Ball，他盡管寫過(guò)很多優(yōu)秀的科學(xué)新聞，但這次大概是碰到了知識(shí)盲點(diǎn)，整個(gè)報(bào)道寫的也是故弄玄虛，沒(méi)抓到重點(diǎn)，還把海森堡拉去陪玻爾一起給瞬時(shí)躍遷背鍋（不知道海森堡方程和薛定諤方程實(shí)質(zhì)等價(jià)嗎？）。然后中文媒體再翻譯過(guò)來(lái)，其它自媒體再自由發(fā)揮一通，就變成了科學(xué)傳播的“車禍現(xiàn)場(chǎng)”。

筆者幾年前在丹麥Aarhus大學(xué)物理系做博士后時(shí)（Aarhus物理系大概一百年前是從哥本哈根大學(xué)物理系——即現(xiàn)在的玻爾研究所分出來(lái)的，這樣也算和玻爾扯上點(diǎn)淵源），也做過(guò)一個(gè)監(jiān)視超冷原子相變的量子弱測(cè)量實(shí)驗(yàn)，可不敢像耶魯這個(gè)團(tuán)隊(duì)這樣立靶子吹牛，文章后來(lái)發(fā)的很普通的英國(guó)物理學(xué)會(huì)雜志。量子技術(shù)既然瞄準(zhǔn)的是第二次信息革命，未來(lái)的應(yīng)用才決定其價(jià)值，而不應(yīng)該沾染為了發(fā)頂級(jí)期刊而嘩眾取寵的風(fēng)氣。這樣做即使一時(shí)受寵，很快還是會(huì)被歷史埋沒(méi)。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]一般的高等量子力學(xué)教材中都有專門的章節(jié)講怎么用含時(shí)薛定諤方程描述量子躍遷，在量子光學(xué)教材中有更細(xì)節(jié)的光與二能級(jí)原子相互作用的半經(jīng)典模型，光學(xué)Bloch方程，全量子J-C模型等，無(wú)一例外都屬于含時(shí)薛定諤方程。

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

[4] https://www.quantamagazine.org/quantum-leaps-long-assumed-to-be-instantaneous-take-time-20190605/

（本文首發(fā)于果殼“我是科學(xué)家”公眾號(hào)）