顛覆物理學認知!科學家成功預測了不可預測的「量子躍遷」

顛覆物理學認知!科學家成功預測了不可預測的「量子躍遷」

1935年,物理學家歐文薛丁格(Erwin Schrödinger)創造了一個思想實驗來說明一對奇怪的量子物理現象:疊加和不可預測性。這個實驗被稱為薛丁格的貓(Schrödinger’s cat),80多年來,它一直是量子物理學的基石。不過,一項新發表的研究中,耶魯大學科學家團隊基本上摧毀了這實驗中心的前提,這突破性的研究可以終於讓研究員開發出有用的量子電腦。

薛丁格的貓可能是從未活著過或從未死過最有名的貓,依據你的觀點。在這思想實驗中,貓與一小塊放射性物質被密封在一個盒子中,放射性物質在一小時內可能會或可能不會失去一個原子而衰變,這兩種可能性同樣可能,如果原子衰變,盒子的瓶子將釋放出毒藥。

這思想實驗與量子物理學的關係在於這種不確定性:在一小時內的任何時候都無法知道貓是活著還是死了,理論上它是活的也是死的,直到有人打開盒子並直接觀察貓才能知道狀況。

簡而言之,這就是量子疊加:量子系統可以同時存在於兩個狀態中,一旦進行觀察,它就會隨機的量子「躍遷」(jump)到一個狀態。預測量子系統何時會從一個狀態「躍遷」到另一個狀態是不可能的,直到耶魯大學的研究人員9日在《自然》期刊上發表了一項研究,詳細描述他們發現了量子躍遷的早期預警系統。

該團隊使用三個微波發生器,一個鋁腔和一個超導人造原子的組合,他們發現它可以預測原子何時會發生量子躍遷,他們只需要尋找原子所發射出突然缺少的某一類型光子。

研究員Michel Devoret表示,「這實驗所展示最美的效果是躍遷過程中連貫性的增加」,他的同事Zlatko Minev表示,「你可以利用這一點來不只抓住躍遷,還可以扭轉它。」

這扭轉量子躍遷的能力,是這項新研究可以如何幫助量子電腦的發展。量子電腦系統中,量子資訊的基本單位叫做量子位元(qubits),它們類似於傳統電腦中使用的位元,但它不只是1或0,量子位元可以同時處於兩種狀態。

量子位元在量子電腦系統中計算錯誤後會改變狀態,現在研究人員有辦法預測這些變化,他們可以更快地糾正這些錯誤並管理量子數據,這使創造量子電腦的關鍵挑戰之一更容易了。

Minev表示,「原子的量子躍遷有點類似於火山爆發,從長遠來看,它們完全無法預測,儘管如此,透過正確的監測,我們可以確定地發現即將發生的災難預警,並在災害發生之前對它採取行動。」

該研究被發表在Nature上。

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