實(shí)驗(yàn)結(jié)果用動(dòng)畫GIF進(jìn)行總結(jié)，該GIF顯示了在百萬分之一秒內(nèi)離子的量子態(tài)發(fā)生了什么。通過三維坐標(biāo)顯示量子狀態(tài)。條的高度指示可能的量子態(tài)的疊加程度。影片展示了在測量過程中某些重疊是如何丟失的，以及這種丟失是如何逐漸消失的，而其他的重疊則保留在理想的量子測量中。圖片：F. Pokorny et al., 'Tracking the dynamics of an ideal quantum measurement,' Physical Review Letters 2020

測量量子系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致它發(fā)生變化，這是量子力學(xué)的奇怪但基本的方面之一。斯德哥爾摩大學(xué)的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)能夠證明這種變化是如何發(fā)生的。研究結(jié)果發(fā)表在科學(xué)雜志《物理評(píng)論快報(bào)》上。

量子物理學(xué)描述了單個(gè)原子的內(nèi)部世界，這個(gè)世界與我們的日常經(jīng)驗(yàn)大不相同。量子力學(xué)的許多奇怪但基本的方面之一是觀察者的角色-測量量子系統(tǒng)的狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致其發(fā)生變化。盡管理論中測量過程非常重要，但仍然存在未解決的問題：在測量過程中，量子態(tài)會(huì)立即崩潰嗎？如果沒有，那么測量過程將花費(fèi)多少時(shí)間，并且在任何中間步驟中系統(tǒng)的量子狀態(tài)是什么？

來自瑞典、德國和西班牙的研究人員的合作使用單個(gè)原子（電場中捕獲的鍶離子）回答了這些問題。對(duì)離子的測量僅持續(xù)百萬分之一秒。通過制作由不同測量時(shí)間拍攝的照片組成的動(dòng)畫，他們表明狀態(tài)的變化在測量影響下逐漸發(fā)生。

原子遵循量子力學(xué)定律，通常與我們的正常期望相矛盾。原子的內(nèi)部量子態(tài)由圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子的狀態(tài)形成。電子可以在靠近或更遠(yuǎn)的軌道上繞原子核旋轉(zhuǎn)。但是，量子力學(xué)也允許所謂的疊加態(tài)，在這種狀態(tài)下，電子同時(shí)占據(jù)兩個(gè)軌道，但每個(gè)軌道僅具有一定的概率。

“每當(dāng)我們測量電子的軌道時(shí)，測量的答案將是電子處于較低或較高的軌道，而兩者之間則永遠(yuǎn)不會(huì)有東西。這是正確的，即使初始量子態(tài)是兩者的疊加也是如此。從某種意義上說，這種測量迫使電子決定它處于兩種狀態(tài)?！?/p>

動(dòng)畫顯示了測量過程中的演變。單個(gè)圖片顯示斷層掃描數(shù)據(jù)，其中條形的高度顯示了仍保留的重疊程度。在測量過程中，某些疊加態(tài)會(huì)丟失，并且這種丟失是逐漸發(fā)生的，而其他的疊加態(tài)則會(huì)保留下來。

“這些發(fā)現(xiàn)為自然界的內(nèi)部運(yùn)作提供了新的思路，并且與現(xiàn)代量子物理學(xué)的預(yù)測相一致?！彼沟赂鐮柲ρ芯啃〗M負(fù)責(zé)人馬庫斯·亨里希（Markus Hennrich）說。

這些結(jié)果在基本量子理論之外也很重要。量子測量是量子計(jì)算機(jī)的重要組成部分。斯德哥爾摩大學(xué)的這個(gè)小組正在研究基于捕獲的離子的計(jì)算機(jī)，在量子計(jì)算結(jié)束時(shí)，這些測量數(shù)據(jù)將被用于讀出結(jié)果。