薛丁格的貓(Schrodinger’s Cat)怎麼了?

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薛丁格的貓(Schrodinger’s Cat)怎麼了?
知識通訊評論第70期

量子力學大師薛丁格提出的詭論,長久以來一直點出量子力學的實徵矛盾性。最近有科學家設計實驗,展示出這種量子性質,並為量子電腦發展提供新思維。

這是物理學界最複雜的問題之一:量子世界中微小粒子看似奇異的行為,是如何瓦解,而形成至少比一個分子來得大,讓我們可以觀察到的古典物理學世界?最近的一個實驗進一步地模糊了這兩個領域的界限;該實驗顯示出,我們可以中止甚至是逆轉從量子物理轉變成傳統物理的過程。此一重大進展可能成為量子電腦可行性的重要後盾。(見《量子電腦再進一步》)

根據一九二七年形成的量子力學「哥本哈根詮釋」,觀察一量子物體之時,也就干擾了其狀態,而造成其立即從量子本質轉變成傳統物理現實。原子及次原子粒子的性質,在量測之前並非固定不變的,而是許多互斥性質的「疊加」。

此觀念的知名例子是「薛丁格的貓」矛盾;在這個想像實驗中,一隻貓被鎖在一個箱子中,並有一毒氣瓶,在一量子粒子處於某狀態下毒氣瓶會破裂,但若該粒子處於另一狀態,則毒氣瓶完好無損。將箱子封閉,此粒子的量子狀態是兩種狀態共存的情況,也就是說毒氣既是已從瓶中放出,又被封存在瓶中,也因此,箱中的貓同時既是活,也是死。當箱子打開時,此量子疊加狀態瓦解;在那瞬間這隻貓是被毒死,或得以保命。

最近,加州大學聖塔芭芭拉校區的凱茲(Nadav Katz)和同事進行了一項實驗,將一個量子狀態由瓦解邊緣拉回,使其「反瓦解」並回到未被觀察的狀態。這等於是先偷瞄了箱子中薛丁格的貓,但又將其從鬼門關前救回。(參見凱茲的論文:http://arxiv.org/abs/0806.3547)

瑞士日內瓦大學的量子物理學家布提克(Markus Büttiker)表示,對於熟習哥本哈根詮釋的物理學家而言,任何反瓦解量子態的觀念都是「驚世駭俗」的;「當打開箱子時,薛丁格的貓不是死就是活,沒有折衷的可能。」

然而,在量子力學更新的詮釋「去同調性理論」中,量子態瓦解並非在一瞬間內發生,而是隨著量子系統緩慢的與周遭環境交互作用,逐漸完成。二○○六年,加州大學河濱校區的科諾柯夫(Alexander Korotkov)和紐約羅徹斯特大學的喬丹(Andrew Jordan)提出理論假想,也許在一段時間中,實驗者可以進行干涉,來中止量子態瓦解。他們還提出以實驗驗證此想法的藍圖,而凱茲、科諾柯夫以及他們的同事將其付諸實現。

死而復生

凱茲和他的同事創造了一個量子計算實驗中常用的「相量子位元」(其中有一個被絕緣接點中斷的超導電路),來取代薛丁格的貓。這個量子位元是迴路上電流大小的波動,而電流大小可由其流經接點時,相位的不一致量測得知。

量子力學大師薛丁格提出的詭論,長久以來一直點出量子力學的實徵矛盾性。

這個量子位元可以有高或低兩種能量,凱茲研究團隊的設計使它可以有兩個能量的疊加態;也就是薛丁格貓的同時「既生又死」。任何量測量子位元能量的嘗試,等於是去打開薛丁格的盒子,則會使量子態瓦解為兩種能量值之一。凱茲解釋說,訣竅就是偷偷取得量子位元能量的間接資訊,以避免量子態完全瓦解。

該研究團隊利用的是一種被稱為「穿隧」的量子效應:量子級的小粒子即使能量不足以超越能量障壁,卻可以藉此種效應來達成。
在此研究中,凱茲團隊改變流經電路的電流,以調控阻礙量子位元改變相位的「能障高度」。該能障足以防低能量的量子位元改變相位,但高能量的量子位元則可能進行此轉變。所以,觀察量子位元是否改變相位,此時放出的磁能洩漏了天機,就可以提供量子位元能量態的資訊。

凱茲表示,如果量子位元成功穿隧,就不好玩了。這意謂該量子瓦解為高能態,還完成了穿隧效應。凱茲說:「那就玩完了。」這等於完全打開盒子、看到活生生的貓,還把牠放了。

時空旅行

如果量子位元並未穿隧,那就有趣了。這表示它很可能是屬於低能態。但凱茲表示,關鍵是你並不能完全確定,所以此量測並未使量子系統完全瓦解,「我們只瞄了貓一眼,就把盒子蓋回去了」。

但是,這樣「弱」的量測仍然會稍微干擾量子系統。凱茲表示,如果實驗就此結束,此干擾仍足以逐漸使量子系統瓦解。他的研究團隊量測了幾千個以類似方法做成的量子位元,並就在那個時間點結束實驗,並且在統計上確認了上述的結果;這樣的量測顯示,絕大多數的實驗中,這樣的量子系統會瓦解為低能態。也就是說,如果再度開箱,多半會看到死貓一隻。

凱茲表示,若要解除量子態的瓦解,該研究團隊得在其走完瓦解過程前,「彌補我們對其造成的傷害」。他們用了對量子位元發射特定的微波脈衝的方法(交換量子位元能態的標準技術),使高能態量子位元轉為低能態,低能態者轉為高能態。因為有此交換,當他們再度進行前述「弱量測」時,產生的干擾正好抵消第一次量測的效應。凱茲解釋,第一次偷瞄把貓推上死路;第二次偷瞄則將其推回原本的生機。

他們的研究團隊進行實驗多次,量子瓦解為高、低能態的機率大致相同;統計上,這再度確認了此量子態回到了原本未被量測的狀態。實驗結束時量測量子態,他們觀察到高、低能態的可能性相等。

薛丁格和物理學家倫敦

布提克說:「數據很明確;這是個突破性的實驗。」

英國里茲大學的量子物理學家威德(Vlatko Vedral)說,此研究結果表示一大警訊,我們對古典物理現象如何出現的認識可能過於簡化。「這告訴我們,不能假設觀測創造事實,因為我們完全可能抹掉觀測造成的影響,從頭再來過。」

澳洲墨爾本大學的量子物理學家修陸斯豪舍(Maximilian Schlosshauer)為此加了一個註腳:「量子世界變得愈來愈可促觸及,而事物實相的本質則愈來愈加神秘。」

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