量子力学不确定性是否被推翻？如果是真的，这意味着什么？ 第1页

虽然专业记(jie)者(shuo)要敢于下判断，但是我们也不要跟着“见风……”。实际上，论文原文没有任何这个意思。这些无中生有的解读，是有些（自）媒体报道时出了偏差。物理学界有句话叫，“一个体系的量子态的演化，当然要靠它自己的哈密顿，但是也要考虑到环境的随机耦合”。然后呢，对这个演化之后的量子态进行经典测量的结果，还是要按照量子力学的基本原理，按照波恩诠释所决定的概率，去（随机）产生。

也就是说，generally speaking，量子力学的确定性体现在量子态的相干演化中。给定一个纯的初态，哈密顿量已知，无耗散的量子态的演化是可以被精确预测出来的，但是：

1. 环境乃至真空的量子涨落与体系的耦合可能导致特定初态出现的时间不可精确预测，尽管他们与体系的耦合可能很弱，在随后的演化过程中可以忽略。比如激发态分子自发辐射过程的初态就是如此。
2. 对量子态进行经典测量会导致量子态的“坍缩”。如果原来的量子态不是测量的本征态，测量结果不可完全确定。
3. 只有对于本征态的测量结果是完全确定的。

结合以上的基本原理，这次的量子跃迁实验和“确定性/不确定性”的关系，可以总结如下：

1. 本实验的量子跃迁是纯态的相干演化，跃迁开始之后的量子态可以精确预测。
2. 但是，本实验中量子跃迁的起始时间不可预测，是不确定的。

如果再深入一点，还有：

1. 如果对演化后的量子态在某一时刻直接进行经典测量，测量结果一般仍然具有不确定性，但是只要测量时刻恒定，则每种结果的出现概率恒定。（他们在不同时刻测量了这个概率并得到了演化动力学。当然这个“不同时刻”不是一次演化的不同时刻，而是很多次完全相同演化的不同时刻，也就是所谓的 tomographic reconstruction ，因为每次测量完之后原量子态就被破坏了。就……好比要观察小鼠生长过程中的大脑发育情况，需要对大脑切片染色，那么你肯定不能对同一只小鼠进行多次切片，你得把好多小鼠分别养到不同的日龄、周龄，然后分别固定取样、切片、观察）
2. 对演化后的量子态不测量而直接进行“盲”操作，可以改变演化路径。如果使其演化到一个经典测量的本征态，此时再测量，则测量结果确定。（本次实验可以逆转演化到初态，这正是一个本征态）

以上是跟本题目有关的一些普遍结论。如果想要理解这个实验的过程，首先是要理解量子力学的跃迁也是一种量子态的演化，它从来就不是瞬间完成的（参看：电子跃迁是瞬间移动吗？是不是超光速移动？以及 如何看待科学家发现「量子跃迁」有预警信号？），而跃迁的起始阶段是可以观测到的。在外场扰动已知的情况下跃迁一旦开始，随后的量子态都可以被精确预测，然后在适当时机反转驱动电场就可以逆转量子跃迁过程。至于什么时候开始跃迁，之前已经提过，由于环境甚至真空扰动等等导致跃迁的开始时刻是无法预测的，只能通过观测知道。但是开始之后的量子态的演化就完全确定了。这就有点类似地震预警——地震的开始时刻是无法预测的，但是一旦地震开始，地震预警系统可以迅速通知地震波尚未波及到的地区立刻采取措施避免较大损失。

上述过程听起来很简单，但难点在于整个过程要保持全程相干。之前说过了，通常的测量会导致迅速去相干，或者说量子态的“坍缩”，对于二能级体系，结果就是跃迁过程中的基态和激发态的叠加态就消失了，测量之后会（按照波恩诠释的概率）随机落到基态或者激发态。所以，必须要设计一个耦合非常弱的测量方式才能保证测量本身不会影响基态和激发态的相干叠加。这篇文章通过引入一个（只与基态耦合的）第三能级解决了这个问题（当然这种测量方式不是这篇文章第一次提出的）：不直接测量基态和激发态的状态而是监测这个第三能级的状态。由于这个第三能级并不与激发态耦合，对它的测量也不会影响到基态和激发态之间的跃迁。而这个跃迁的“预警”就是由这个第三能级的状态做出的：根据实验的布置（第三能级和基态之间有很强的驱动电场，或者说很强的耦合），第三能级（“亮态”）与基态之间的跃迁很快，每次从第三能级跃迁回基态时，就会发出一个光子（荧光），而后又迅速被激发到这个第三能级上。那么，只要我们不停地观测到荧光光子，就意味着这个体系仍然在基态和第三能级之间来回跃迁。

好了，现在就是关键的地方：假如我们一段时间内没有观测到荧光光子，这意味什么呢？由于这个体系只有三个能级，不是处于基态、第三能级，就是处于（不可观测）的激发态（或者称之为“暗态”——因为我们看不到或者“不去看”它退激发发出的光子），或者他们之间的叠加态。而所谓的“叠加态”在这个实验布置中也就是“处于跃迁中”。前面已经说了，这个第三能级并不与激发态耦合，所以不存在激发态到第三能级的跃迁，只有基态到第三能级（“亮态”）、基态到“暗态”这两种跃迁。同时，由于基态和第三能级之间的耦合很强，这个体系也不可能长时间处于基态。事实上，一旦这个体系回到基态，它就面临两种选择：要么向暗态跃迁，要么向亮态跃迁。这两种跃迁的次数的比例是知道的，但是具体到每一次回到基态，到底发生哪种跃迁则是随机的。排除了所有可能之后，剩下的就是真相：我们在一段时间没有观测到荧光光子，就意味着发生了基态到暗态的跃迁。而这个跃迁的开始时间我们是知道的，于是可以通过改变驱动频率来逆转从基态到到激发态（“暗态”）的跃迁。自始至终实验者都没有去直接测量基态和激发态之间的“跃迁”，所有的操作都是基于间接测量和量子力学计算的“推断”。而操作的结果也精确符合量子力学的预测。

所以，你看，这个实验之所能够进行，完全是因为它充分利用了现有的量子原理。而且实验结果也精确验证了现有的量子原理而不是相反：（基态到“暗态”的）跃迁开始的时间是随机的，但是之后的演化是确定的，从而可以进行“预警”以及更复杂的操作。