最近的一項(xiàng)測(cè)試證實(shí)了量子軌跡理論做出的預(yù)測(cè)，該理論描述了量子系統(tǒng)在長(zhǎng)久以來(lái)不為人知的“崩潰”期間發(fā)生的一切。

想象一下，如果我們的所有科學(xué)理論與模型只能提供平均值，結(jié)果會(huì)如何？例如，最準(zhǔn)確的天氣預(yù)報(bào)也只能預(yù)測(cè)下個(gè)月每一天的平均降雨量，或者說(shuō)，天文學(xué)家只能預(yù)測(cè)每次日食之間的平均間隔時(shí)間。

在量子力學(xué)的研究早期，這似乎是一種無(wú)法避免的局限性：其提出的是概率論，只能告訴我們?nèi)绻覀兪占酱罅渴录蛘吡Ｗ佑涗洠瑢⒛軌蛴^察出怎樣的平均現(xiàn)象。對(duì)于薛定諤（他發(fā)現(xiàn)的同名方程規(guī)定了量子對(duì)象的行為方式）而言，考慮特定的原子或電子的實(shí)時(shí)狀態(tài)完全沒(méi)有意義。他曾在1952年時(shí)寫道，“這是一種公平的觀察方式，我們并沒(méi)有關(guān)注單一粒子。我們正在認(rèn)真研究事件發(fā)生后的記錄。”換句話說(shuō)，量子力學(xué)似乎只適用于大量粒子的“集合”。耶魯大學(xué)的物理學(xué)家Michel Devoret也表示，“當(dāng)整體規(guī)模足夠大時(shí)，才有可能獲得充足的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以檢測(cè)預(yù)測(cè)結(jié)果是否正確。”

不過(guò)還有另一種方法可用于制定量子力學(xué)規(guī)則，從而討論單一量子系統(tǒng)中發(fā)生的單一事件。這種方法被稱為“量子軌跡理論（QTT）”，其與量子力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)形式完全兼容，或者說(shuō)只是對(duì)量子行為的更為細(xì)致的觀察視角。在對(duì)大量事件的平均值進(jìn)行計(jì)算之后，這種方法終于讓我們?cè)俅位貧w到標(biāo)準(zhǔn)的描述方向上來(lái)。

畢業(yè)于耶魯大學(xué)Devoret實(shí)驗(yàn)室的Zlatko Minev博士指出，作為對(duì)薛定諤悲觀主義觀點(diǎn)的直接挑戰(zhàn)，“QTT能夠準(zhǔn)確處理單一粒子及其正在發(fā)生的事件。”通過(guò)將QTT應(yīng)用于量子電路上的實(shí)驗(yàn)，Minev和他的同事最近終于能夠捕捉到“量子躍遷”現(xiàn)象（即兩種量子能態(tài)之間的轉(zhuǎn)換）隨時(shí)間推移的展開(kāi)過(guò)程。在這項(xiàng)卓越的成就當(dāng)中，他們準(zhǔn)確把握住了量子躍遷的瞬間并加以逆轉(zhuǎn)。

Devoret表示，“量子軌跡理論能夠做出無(wú)法通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)公式得到的預(yù)測(cè)結(jié)果。”具體來(lái)講，其能夠預(yù)測(cè)單一量子對(duì)象（例如粒子）在受到觀察時(shí)的行為方式，或者說(shuō)在受到測(cè)量時(shí)的行為方式。

薛定諤的議程無(wú)法得出這一結(jié)果。我們只有不測(cè)量對(duì)象物體，才能完美地預(yù)測(cè)出其如何隨時(shí)間而演變。但是一旦加以測(cè)量，我們就只能通過(guò)薛定諤方程得出對(duì)大量測(cè)量得出的預(yù)測(cè)結(jié)果的平均值，而非任何單一系統(tǒng)的預(yù)測(cè)值。舉例來(lái)說(shuō)，該方程無(wú)法告訴我們單一量子是否發(fā)生了躍遷。

薛定諤方程之所以又被稱為“測(cè)不準(zhǔn)”方程，是因?yàn)榇嬖谝环N名為量子反作用的特殊現(xiàn)象。對(duì)量子的測(cè)量會(huì)影響被觀察的系統(tǒng)：觀察行為會(huì)將一種隨機(jī)噪聲注入系統(tǒng)之內(nèi)。這也是著名的海森堡不確定性原則的來(lái)源。正如海森堡當(dāng)初所提到，測(cè)量當(dāng)中的不確定性并不在于笨拙測(cè)量手段對(duì)于微妙量子系統(tǒng)的影響——即所謂光子撞擊粒子并將其推向偏離軌道的說(shuō)法。相反，觀察本身就存在著內(nèi)生的隨機(jī)化效應(yīng)，這是一種不可避免的結(jié)果。薛定諤方程在預(yù)測(cè)量子系統(tǒng)將如何演化方面相當(dāng)準(zhǔn)確——但前提是不要測(cè)量，因?yàn)闇y(cè)量會(huì)導(dǎo)致結(jié)果變得不可預(yù)測(cè)。

Devoret表示，大家可以把量子反作用理解成系統(tǒng)與測(cè)量?jī)x器之間無(wú)法完美匹配的結(jié)果，因?yàn)樵谟^察之前我們完全不知道系統(tǒng)的狀態(tài)。這就像是行星處于望遠(yuǎn)鏡對(duì)焦區(qū)域之外，圖像必然會(huì)呈現(xiàn)出模糊的效果。

然而，QTT有望帶來(lái)不一樣的結(jié)果。但問(wèn)題在于，如果使用QTT，我們需要對(duì)當(dāng)前正在觀察的系統(tǒng)行為擁有相當(dāng)全面的理解。通常情況下，對(duì)量子系統(tǒng)的觀察往往會(huì)忽略大量潛在可用信息：例如，一部分射出的光子會(huì)在環(huán)境當(dāng)中丟失。但是，一旦我們測(cè)量并了解到系統(tǒng)中的所有內(nèi)容——包括由反作用引發(fā)的隨機(jī)后果，則可以在測(cè)量設(shè)備中建立反饋，從而通過(guò)連續(xù)調(diào)整以抵消反作用影響。換言之，QTT的作用相當(dāng)于調(diào)整望遠(yuǎn)鏡的方向以確保作為觀察對(duì)象的衛(wèi)星始終保持在中心位置。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，測(cè)量裝置必須以高于系統(tǒng)實(shí)際變化的速率更快收集數(shù)據(jù)，且整個(gè)過(guò)程的效率必須近乎完美。Devoret表示，“基本上，所有離開(kāi)系統(tǒng)并被環(huán)境吸收的信息都得由測(cè)量?jī)x器記錄下來(lái)。”還是用天文學(xué)進(jìn)行類比，這就像是行星必須僅由發(fā)射自天文臺(tái)的光照亮，并通過(guò)某種方式將反射回來(lái)的光全部收集起來(lái)。

光是聽(tīng)起來(lái)，就知道這種程度的信息控制與捕獲過(guò)程具有極大的挑戰(zhàn)性。麻省理工學(xué)院的William Oliver指出，正因?yàn)槿绱?，雖然QTT已經(jīng)存在了幾十年，“但直到過(guò)去五年之內(nèi)，我們才得以在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行測(cè)試。”Minev開(kāi)發(fā)出的創(chuàng)新技術(shù)能夠確保高達(dá)91%的量子測(cè)量效率。他表示，“這項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)進(jìn)展使我們得以將原本的預(yù)測(cè)，轉(zhuǎn)變?yōu)榭沈?yàn)證且可實(shí)施的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。”

Devoret解釋稱，憑借這些創(chuàng)新，“我們有望根據(jù)近期活動(dòng)記錄隨時(shí)了解系統(tǒng)的位置。當(dāng)然，長(zhǎng)期層面中的某些活動(dòng)特征仍然無(wú)法預(yù)測(cè)。”更重要的是，這種關(guān)于系統(tǒng)如何隨時(shí)間推移而平滑變化的完整知識(shí)將使得研究人員能夠進(jìn)行記錄“倒帶”，并避免標(biāo)準(zhǔn)量子形式主義中提出的明顯不可逆的“波函數(shù)崩潰”。通過(guò)這種方式，研究人員將能夠在發(fā)生的一瞬間實(shí)現(xiàn)對(duì)量子躍遷的逆轉(zhuǎn)。

QTT與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間良好的一致性也證明，該理論確實(shí)適用于單一量子系統(tǒng)。具體來(lái)講， 這意味著該理論所提出的高度抽象的“量子軌跡”（由耶魯大學(xué)論文聯(lián)合作者，物理學(xué)家Howard Carmichael在上世紀(jì)九十年代創(chuàng)造的術(shù)語(yǔ)）確實(shí)具有實(shí)際意義。用Minev的話來(lái)解釋，量子軌跡“可歸于某種程度的現(xiàn)實(shí)”。這一結(jié)論無(wú)疑顛覆了原本的量子物理學(xué)認(rèn)知，當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為所謂量子軌跡只是一種沒(méi)有明確物理意義的數(shù)學(xué)工具。

但是，這一軌跡究竟是什么？有一點(diǎn)是非常明確的：它并不像行星運(yùn)行軌跡那樣擁有明確的路線。相反，它更像是系統(tǒng)可能具有的全部潛在狀態(tài)在抽象空間中所依據(jù)的路線，我們將這種抽象空間稱為希爾伯特空間。在傳統(tǒng)量子理論當(dāng)中，該路徑由薛定諤議程的波函數(shù)進(jìn)行描述。但最重要的是，QTT還能夠解決測(cè)量如何影響該路徑的問(wèn)題，而薛定諤方程無(wú)法做到這一點(diǎn)。總結(jié)而言，QTT理論利用對(duì)系統(tǒng)迄今為止所有細(xì)致、完整活動(dòng)方式進(jìn)行觀察，從而預(yù)測(cè)其未來(lái)將表現(xiàn)出怎樣的狀態(tài)。

為了易于理解，大家也可以將其理解成嘗試預(yù)測(cè)單一空氣分子的運(yùn)動(dòng)軌跡。薛定諤議程的作用有點(diǎn)像經(jīng)典擴(kuò)散議程，其能夠預(yù)測(cè)這種粒子在經(jīng)歷碰撞時(shí)隨時(shí)間推移平均會(huì)產(chǎn)生多大的位移，但QWTT則能夠根據(jù)粒子之前經(jīng)歷過(guò)的具體碰撞信息預(yù)測(cè)特定粒子的去向。隨機(jī)性仍在其中發(fā)揮作用：在任何情況下，我們都無(wú)法完美地預(yù)測(cè)出實(shí)際軌跡。但QTT能夠幫助我們了解單一粒子的過(guò)往情況，并讓我們?cè)谝欢ǔ潭壬项A(yù)測(cè)出該粒子接下來(lái)將去向何方。