哈爾濱中軟卓越分享：薛定諤的貓有救了

著名的「薛定諤的貓」是量子疊加性和不可預測性的象徵，而耶魯大學的研究人員找到了一種能夠「捕獲」和「拯救」這隻「貓」的方法，通過預測其跳躍動作採取實時行動，從而將其從厄運中拯救出來。在研究過程中，他們推翻了量子物理學界多年來的基柱性教條。

這項發現讓研究人員能夠建立一套提前預警系統，預測含有量子信息的人造原子即將發生的「跳躍」動作。宣布此項發現的報告發表在6月3日的在線版《自然》期刊上。

「薛定諤的貓」是一個著名悖論，闡釋了量子物理中「疊加」的概念（即相反的兩種狀態可以同時存在）和不可預測性。這個悖論是這樣的：一隻貓被放在一個密封的盒子中，盒子里有一個放射源，還有一種毒藥。若放射性物質有一個原子發生衰變，就會釋放毒藥。量子物理的疊加理論認為，在有人打開這個盒子之前，其中的貓既是活的，又是死的，即處於兩種狀態的疊加態。一旦打開盒子、觀察到了貓的死活，其量子態就會立即改變，變成「死」或「活」中的一種。

量子躍遷是指，量子態被人觀察到時發生的離散（非連續）、隨機的變化。

此次實驗在耶魯大學教授米歇爾·德沃雷特（Michel Devoret）的實驗室中開展，由主要作者茲拉特科·米奈弗（Zlatko Minev）提出，首次對量子躍遷的真正運作機制進行了考察。而結果令人大吃一驚，與丹麥物理學家玻爾的著名理論背道而馳。該研究結果顯示，與之前認為的不同，量子躍遷的發生既不突然、又不隨機。

對電子、分子、或含有量子信息的人造原子（又稱量子比特）等小物體來說，量子躍遷是指從一個離散的能態突然轉移到另一個能態。在研發量子計算機時，研究人員必須解決量子比特的躍遷問題，因為量子躍遷代表著計算錯誤。

深奧難解的量子躍遷理論最早由玻爾於一個世紀前提出，但一直到上世紀80年代才在原子中被觀察到。

「我們每次對一個量子比特進行測量，都會發生這種躍遷。」德沃雷特表示，他是耶魯大學應用物理和物理學教授和耶魯量子研究所成員，「量子躍遷從長期來看，是無法進行預測的。」

「儘管如此，」米奈弗補充道，「我們還是試試看，是否有可能對即將發生的躍遷發出預警信號。」

米奈弗指出，此次實驗是受了奧克蘭大學教授、量子軌跡理論的先驅霍華德·卡邁克爾（Howard Carmichael）所做的一項理論預測的啟發。

除了其產生的巨大影響之外，此次發現還可能代表著，我們對量子信息的理解和控制取得了重大進展。研究人員表示，可靠地管理量子數據和實時糾錯是研發量子計算機過程中的關鍵挑戰。

此次耶魯團隊利用了一種特殊方法，對一個超導人造原子展開間接監測，利用三台微波發射器，對密封在一個用鋁製成的3D空腔中的原子進行輻射。這種雙重間接監測方法由米奈弗提出，讓研究人員能夠以從未有過的高效率觀察原子。

微波輻射能夠在人造原子被觀察到的同時、對其進行激發，造成量子躍遷。而這些躍遷發射的微弱量子信號能夠被放大，不會因室溫造成損失。在此次實驗中，這些信號可以得到實時監測，讓研究人員能夠及時發現檢測光子（即由受微波激發的原子的振蕩態釋放出的光子）的突然消失。檢測光子的消失便是即將發生量子躍遷的預警信號。

「此次實驗顯示，儘管受到了觀察，但量子躍遷的一致性有所增加。」德沃雷特指出。米奈弗也補充道：「利用這一點，我們不僅能及時捕捉到量子躍遷，還能逆轉它。」

研究人員表示，這一點非常關鍵。雖然從長期來看，量子躍遷的發生顯得離散而隨機，但逆轉量子躍遷意味著，量子態的演變從部分程度上來說是一種確定性的、並不隨機的特性。量子躍遷的起點雖然隨機，但總是以同一種可以預測的方式發生。

「一個原子的量子躍遷有點類似火山爆發。」米奈弗指出，「從長期來看完全無法預測，但只要監測方法得當，我們肯定能探測到災難即將發生的信號，並及時採取行動。」

此次研究的其他共同作者還有耶魯大學的羅伯特·舍爾考夫（Robert Schoelkopf）、尚塔努·蒙德哈達（Shantanu Mundhada）、希亞姆·山卡爾（Shyam Shankar）和菲利普·萊因霍德（Philip Reinhold），奧克蘭大學的里卡多·古鐵雷斯·豪瑞吉（Ricardo Gutiérrez-Jáuregui），以及法國計算機科學與自動化研究所的瑪茲亞爾·米拉西密（Mazyar Mirrahimi）。此次研究由美國陸軍研究辦公室支持，是耶魯大學量子研究取得的最新進展。耶魯大學的科學家們正在研發量子計算機的第一線奮鬥，已經在利用超導電路的量子計算機領域做出了一些開創性的工作。

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