量子力学是描述宇宙极小尺度物理学的理论，以其违反常识而闻名。例如，考虑一下该理论的标准解释如何描述量子领域的变化：从一种状态到另一种状态的转变被认为是不可预测且瞬时发生的。换句话说，如果我们熟悉的世界中的事件以类似于原子内部事件的方式展开，我们就会期望经常看到面糊直接变成完全烤好的蛋糕，而无需经历任何中间步骤。当然，日常经验告诉我们情况并非如此，但对于不太容易接近的微观领域来说，这种“量子跃迁”的真正本质一直是物理学中的一个主要未解之谜。
然而，近几十年来，技术进步使得物理学家能够在精心安排的实验室环境中更仔细地探索这个问题。可以说，最根本的突破发生在 1986 年，当时研究人员首次通过实验验证了量子跃迁是可以观察和研究的实际物理事件。从那时起，持续的技术进步为神秘现象打开了更深层次的视野。值得注意的是，一项实验于 2019 年发表，它颠覆了量子跃迁的传统观点，证明量子跃迁一旦开始，就会以可预测且渐进的方式移动，甚至可以在中途停止。
该实验在耶鲁大学进行，使用了一种允许研究人员以最小的干扰监测跃迁的装置。每次跃迁都发生在超导量子比特（一种旨在模拟原子特性的微小电路）的两个能量值之间。研究团队利用对系统处于较低能量时电路中发生的“侧向活动”的测量。这有点像通过只听某些关键词来了解另一个房间的电视上正在播放哪个节目。这种间接探测避开了量子实验中最受关注的问题之一——即如何避免影响正在观察的系统本身。这些测量被称为“咔哒声”（来自旧盖革计数器检测放射性时发出的声音），揭示了一个重要的特性：跃迁到更高能量总是先于“关键词”的暂停，即侧向活动的暂停。这最终使团队能够预测跃迁的展开，甚至可以随意停止它们。
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现在，一项新的理论研究更深入地探讨了关于跃迁以及何时发生跃迁的说法。它发现这种看似简单而基本的现象实际上非常复杂。
抓得到我吗
新研究发表在《物理评论研究》杂志上，它模拟了量子跃迁从开始到结束的逐步演化过程——从系统的初始低能量状态（称为基态），到第二个能量更高的状态（称为激发态），最后再跃迁回基态。该模型表明，可预测的、“可捕捉”的量子跃迁必然存在不可捕捉的对应物，该研究的作者基里洛·斯尼日科说。斯尼日科是一位博士后研究员，目前在德国卡尔斯鲁厄理工学院，此前曾在以色列魏茨曼科学研究所工作，这项研究就是在那里进行的。
具体而言，研究人员所说的“不可捕捉”是指跃迁回基态并非总是平滑且可预测的。相反，该研究的结果表明，此类事件的演化取决于测量设备与系统的“连接”程度（量子领域的另一个特性，在这种情况下，它与测量的时标与跃迁的时标有关）。连接可能很弱，在这种情况下，量子跃迁也可以通过量子比特侧向活动咔哒声的暂停来预测，就像耶鲁大学实验中使用的方式一样。
系统通过混合激发态和基态（一种称为叠加的量子现象）进行跃迁。但是，有时，当连接超过某个阈值时，这种叠加会将自身转移到混合物的特定值，并倾向于停留在该状态，直到它在未宣布的情况下移动到基态。在这种特殊情况下，“这种概率量子跃迁无法预测，也无法在中途逆转，”魏茨曼研究所的博士后研究员、最新研究的合著者帕尔文·库马尔解释说。换句话说，即使最初计时可预测的跃迁，也会紧随其后出现本质上不可预测的跃迁。
但是，在检查最初可捕捉的跃迁时，还有更多的细微差别。斯尼日科说，即使是这些跃迁也具有不可预测的因素。可捕捉的量子跃迁将始终沿着通过激发态和基态叠加的“轨迹”进行，但无法保证跃迁会完成。“在轨迹中的每个点，跃迁都有可能继续，也有可能被投射回基态，”斯尼日科说。“因此，跃迁可能开始发生，然后突然取消。轨迹是完全确定的——但系统是否会完成轨迹是不可预测的。”
这种行为出现在耶鲁大学实验的结果中。该研究背后的科学家将这种可捕捉的跃迁称为“不确定性海洋中的可预测性岛屿”。哥伦比亚大学博士后研究员、该研究的作者之一里卡多·古铁雷斯-豪雷吉指出，“这项工作的亮点在于表明，在没有咔哒声的情况下，系统沿着预定的路径在短暂但非零的时间内到达激发态。然而，当系统通过这条路径跃迁时，该装置仍然有机会‘咔哒’一声，从而中断其跃迁。”
“量子物理学崩溃了！”
IBM 托马斯·J·沃森研究中心的 Zlatko Minev 是早期耶鲁大学研究的主要作者，他指出，新的理论论文“推导出了一个非常好的、简单的模型，并解释了量子比特背景下量子跃迁现象作为实验参数的函数。”结合耶鲁大学的实验，这些结果“表明，量子力学中的离散性、随机性和可预测性远比通常认为的要多。”具体而言，量子跃迁令人惊讶的细微行为——从基态到激发态的飞跃可以预见的方式——表明量子世界固有的可预测性程度是以前从未观察到的。如果不是已经被实验验证，有些人甚至会认为这是被禁止的。当 Minev 第一次与他的小组中的其他人讨论可预测量子跃迁的可能性时，一位同事回应喊道：“如果这是真的，那么量子物理学就崩溃了！”
“最终，我们的实验成功了，并且从中可以推断出量子跃迁是随机且离散的，”Minev 说。“然而，在更精细的时间尺度上，它们的演化是相干且连续的。这两种看似对立的观点共存。”
至于这些过程是否可以应用于更广泛的物质世界——例如，量子实验室外的原子——库马尔尚未决定，这在很大程度上是因为该研究的条件非常具体。“推广我们的结果会很有趣，”他说。如果不同测量装置的结果相似，那么这种行为——在某种意义上既是随机的又是可预测的、既是离散的又是连续的事件——可能反映了量子世界更普遍的属性。
与此同时，这项研究的预测可能很快得到检验。魏茨曼研究所的研究员 Serge Rosenblum 没有参与这两项研究，他表示，这些效应可以用当今最先进的超导量子系统观察到，并且是该研究所新的 量子比特实验室 的实验重点。“让我感到非常惊讶的是，像单个量子比特这样看似简单的系统，当我们测量它时，仍然可以隐藏如此多的惊喜，”他补充道。
长期以来，量子跃迁——自然界一切事物最基本的过程——被认为几乎不可能探测。但技术进步正在改变这一点。圣路易斯华盛顿大学副教授 Kater Murch 没有参与这两项研究，他评论说：“我喜欢耶鲁大学的实验似乎激发了这篇理论论文，该论文揭示了一个研究了几十年的物理问题的新方面。在我看来，实验确实有助于推动理论家思考事物的方式，这导致了新的发现。”
然而，这个谜团可能不会消失。正如斯尼日科所说，“我不认为量子跃迁问题会在短期内完全解决；它在量子理论中根深蒂固。但是通过使用不同的测量和跃迁，我们可能会偶然发现一些实际有用的东西。”