物理學家可以預測薛定諤貓的跳躍
薛定諤的貓概念（股票圖像）。
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耶魯大學的研究人員已經想出了如何捕捉和拯救薛定諤著名的貓，這是量子疊加和不可預測性的象徵，通過預??測它的跳躍並實時行動來拯救它免受眾所周知的厄運。在這個過程中，他們推翻了量子物理學多年的基石教條。
這一發現使研究人員能夠建立一個早期預警系統，用於即時跳躍含有量子信息的人造原子。宣布這一發現的研究發表在6月3日的「 自然 」雜誌網路版上。
薛定諤的貓是一個眾所周知的悖論，用於說明疊加的概念 - 兩種相反狀態同時存在的能力 - 以及量子物理學中的不可預測性。這個想法是將一隻貓放在一個帶有放射源和毒藥的密封盒子里，如果放射性物質的原子衰變，它就會被觸發。量子物理學的疊加理論表明，在有人打開盒子之前，貓既活著又死了，是狀態的疊加。打開盒子觀察貓會導致它突然改變其量子狀態，迫使它死亡或活著。
量子躍遷是觀察時狀態的離散（非連續）和隨機變化。
該實驗在耶魯大學教授米歇爾·德沃雷特（Michel Devoret）的實驗室中進行，並由第一作者Zlatko Minev提出，這是第一次實現量子躍遷的實際運作。結果揭示了一個令人驚訝的發現，這與丹麥物理學家尼爾斯玻爾的既定觀點相矛盾 - 跳躍既不突然也不像以前認為的那樣隨意。
對於諸如電子，分子或含有量子信息的人造原子（稱為量子位）這樣的微小物體，量子躍遷是從其離散能量狀態之一到另一個能量狀態的突然過渡。在開發量子計算機時，研究人員必須處理量子比特的跳躍，這是計算誤差的表現。
一個世紀以前，波爾將理論上的量子躍遷理論化，但直到20世紀80年代才在原子中觀察到。
「每次測量量子位時都會出現這些跳躍，」耶魯大學應用物理與物理學教授，耶魯大學量子研究所成員Devoret說。「從長遠來看，眾所周知，量子躍變是不可預測的。」
「儘管如此，」Minev補充說，「我們想知道是否有可能獲得一個預警信號，即即將發生跳躍。」
Minev指出，該實驗的靈感來自奧克蘭大學的Howard Carmichael教授的理論預測，他是量子軌跡理論的先驅，也是該研究的共同作者。
除了其基本影響之外，該發現還是理解和控制量子信息的潛在重大進步。研究人員表示，可靠地管理量子數據並在發生錯誤時糾正錯誤是開發完全有用的量子計算機的關鍵挑戰。
耶魯大學團隊使用一種特殊方法間接監測超導人造原子，三個微波發生器照射封閉在鋁製3D腔內的原子。Minev為超導電路開發的雙重間接監測方法使研究人員能夠以前所未有的效率觀察原子。
微波輻射在同時被觀察時攪動人造原子，導致量子躍遷。這些跳躍的微小量子信號可以放大而不會損失到室溫。在這裡，他們的信號可以實時監控。這使得研究人員能夠看到突然沒有檢測到的光子（由微波激發的原子的輔助狀態發出的光子）; 這種微小的缺席是量子跳躍的預警。
「儘管有觀察結果，這次試驗顯示的美麗效果是跳躍過程中的連貫性增加，」Devoret說。添加了Minev，「你可以利用它不僅可以捕獲跳躍，還可以逆轉它。」
研究人員表示，這是至關重要的一點。雖然從長遠來看量子躍遷看起來是離散的和隨機的，但逆轉量子躍遷意味著量子態的演化部分地具有確定性而非隨機性; 跳躍總是以相同的，可預測的方式從其隨機起始點發生。
「原子的量子躍遷有點類似於火山的噴發，」Minev說。「從長遠來看，它們是完全不可預測的。儘管如此，通過正確的監測，我們可以確定地發現即將發生的災難的預警，並在災害發生之前對其採取行動。
該研究的其他共同作者包括耶魯大學的Robert Schoelkopf，Shantanu Mundhada，Shyam Shankar和Philip Reinhold。奧克蘭大學的RicardoGutiérrez-Jáuregui; 和來自法國計算機科學與自動化研究所的Mazyar Mirrahimi。該研究得到了美國陸軍研究辦公室的支持。這項新研究是耶魯量子研究工作的最新舉措。耶魯科學家處於開發第一批完全有用的量子計算機的前沿，並在超導電路的量子計算方面做了開創性的工作。
（來源：耶魯大學）
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