量子理论揭开测量难题的神秘面纱

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”期间发生的一切。

想象一下，如果我们的所有科学理论与模型只能提供平均值，结果会如何？例如，最准确的天气预报也只能预测下个月每一天的平均降雨量，或者说，天文学家只能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，这似乎是一种无法避免的局限性：其提出的是概率论，只能告诉我们如果我们收集到大量事件或者粒子记录，将能够观察出怎样的平均现象。对于薛定谔（他发现的同名方程规定了量子对象的行为方式）而言，考虑特定的原子或电子的实时状态完全没有意义。他曾在1952年时写道，“这是一种公平的观察方式，我们并没有关注单一粒子。我们正在认真研究事件发生后的记录。”换句话说，量子力学似乎只适用于大量粒子的“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，才有可能获得充足的统计数据以检测预测结果是否正确。”

不过还有另一种方法可用于制定量子力学规则，从而讨论单一量子系统中发生的单一事件。这种方法被称为“量子轨迹理论（QTT）”，其与量子力学的标准形式完全兼容，或者说只是对量子行为的更为细致的观察视角。在对大量事件的平均值进行计算之后，这种方法终于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能够准确处理单一粒子及其正在发生的事件。”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能够捕捉到“量子跃迁”现象（即两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，他们准确把握住了量子跃迁的瞬间并加以逆转。

Devoret表示，“量子轨迹理论能够做出无法通过标准公式得到的预测结果。”具体来讲，其能够预测单一量子对象（例如粒子）在受到观察时的行为方式，或者说在受到测量时的行为方式。

薛定谔的议程无法得出这一结果。我们只有不测量对象物体，才能完美地预测出其如何随时间而演变。但是一旦加以测量，我们就只能通过薛定谔方程得出对大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，该方程无法告诉我们单一量子是否发生了跃迁。

薛定谔方程之所以又被称为“测不准”方程，是因为存在一种名为量子反作用的特殊现象。对量子的测量会影响被观察的系统：观察行为会将一种随机噪声注入系统之内。这也是著名的海森堡不确定性原则的来源。正如海森堡当初所提到，测量当中的不确定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偏离轨道的说法。相反，观察本身就存在着内生的随机化效应，这是一种不可避免的结果。薛定谔方程在预测量子系统将如何演化方面相当准确——但前提是不要测量，因为测量会导致结果变得不可预测。

Devoret表示，大家可以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，因为在观察之前我们完全不知道系统的状态。这就像是行星处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。但问题在于，如果使用QTT，我们需要对当前正在观察的系统行为拥有相当全面的理解。通常情况下，对量子系统的观察往往会忽略大量潜在可用信息：例如，一部分射出的光子会在环境当中丢失。但是，一旦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，则可以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的作用相当于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。

为了实现这一目标，测量装置必须以高于系统实际变化的速率更快收集数据，且整个过程的效率必须近乎完美。Devoret表示，“基本上，所有离开系统并被环境吸收的信息都得由测量仪器记录下来。”还是用天文学进行类比，这就像是行星必须仅由发射自天文台的光照亮，并通过某种方式将反射回来的光全部收集起来。

光是听起来，就知道这种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，正因为如此，虽然QTT已经存在了几十年，“但直到过去五年之内，我们才得以在实验中进行测试。”Minev开发出的创新技术能够确保高达91%的量子测量效率。他表示，“这项关键性技术进展使我们得以将原本的预测，转变为可验证且可实施的实验过程。”

Devoret解释称，凭借这些创新，“我们有望根据近期活动记录随时了解系统的位置。当然，长期层面中的某些活动特征仍然无法预测。”更重要的是，这种关于系统如何随时间推移而平滑变化的完整知识将使得研究人员能够进行记录“倒带”，并避免标准量子形式主义中提出的明显不可逆的“波函数崩溃”。通过这种方式，研究人员将能够在发生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，该理论确实适用于单一量子系统。具体来讲， 这意味着该理论所提出的高度抽象的“量子轨迹”（由耶鲁大学论文联合作者，物理学家Howard Carmichael在上世纪九十年代创造的术语）确实具有实际意义。用Minev的话来解释，量子轨迹“可归于某种程度的现实”。这一结论无疑颠覆了原本的量子物理学认知，当时人们认为所谓量子轨迹只是一种没有明确物理意义的数学工具。

但是，这一轨迹究竟是什么？有一点是非常明确的：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全部潜在状态在抽象空间中所依据的路线，我们将这种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还能够解决测量如何影响该路径的问题，而薛定谔方程无法做到这一点。总结而言，QTT理论利用对系统迄今为止所有细致、完整活动方式进行观察，从而预测其未来将表现出怎样的状态。

为了易于理解，大家也可以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，其能够预测这种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则能够根据粒子之前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：在任何情况下，我们都无法完美地预测出实际轨迹。但QTT能够帮助我们了解单一粒子的过往情况，并让我们在一定程度上预测出该粒子接下来将去向何方。