北京量子信息科學研究院 馬彥俊、于海峰 編譯自Margaret Harris.

Physics World

本文選自《物理》2025年第6期

為慶祝2025國際量子科學與技術年，

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想象一下你是一個量子系統。具體來說，你是一個不穩定的量子系統——如果放任不管，會很快從一個狀態(我們稱其為“清醒”)迅速衰變到另一個狀態(“睡眠”)。但每當你要進入“睡眠”時，總會有干擾：或許是手機的消息提示音，或許是一個好奇的孩子不斷提問。無論是什么，它都會把你從清醒—睡眠的疊加態中拽出，讓你恢復清醒。由于這種干擾發生的速度比你入睡更快，你會一直保持清醒，仿佛被一連串干擾(即量子術語中的“測量”)凍結在了原地。

這種反復測量將一個不穩定的量子系統“凍結”在一個特定狀態的現象被稱為量子芝諾效應(圖1)。它得名于古希臘哲學中的一個悖論，最早由科學通才圖靈和馮·諾依曼在20世紀50年代提出雛形，但是直到1977年才被物理學家Baidyanath Misra和George Sudarshan完整闡述。

圖1 對普通的、經典狀態下的一鍋水加熱，會使它以相同的速度從狀態1 (未沸騰)演化到狀態2 (沸騰)，無論是否有人在觀察它。然而，在量子世界里，如果不對一個系統進行觀察，它通常會從一種狀態演化到另一種狀態(蒙眼芝諾)，但通過反復頻繁的測量，它可以被“凍結”在原地(睜眼芝諾)

此后，研究人員已經在數十種量子系統上觀測到了這一現象，包括離子阱、超導磁通量子比特和光腔中的原子。但是量子芝諾效應表面上的普遍性并不能掩蓋其內在的奇異性。對量子系統來說，“測量”這一簡單的舉動為何會對系統的行為產生深遠的影響？

被觀察的量子鍋

“初次接觸時，你會覺得這非常神奇，因為它真正展示了量子力學中測量對系統的影響，”德國埃爾朗根-紐倫堡大學的物理學家Daniel Burgarth說，他曾從事量子芝諾效應的理論研究。

研究冷原子量子芝諾效應的英國伯明翰大學的實驗物理學家Giovanni Barontini對此表示贊同。“它沒有經典的類似物”，他說，“我可以一直觀察一個經典系統做某件事，它會繼續做下去。但量子系統真的會‘在意’自己是否被觀測”。

對于一個世紀前為量子力學奠定基礎的物理學家而言，測量與結果之間的任何關聯都是一塊絆腳石。幾位科學家試圖繞過這一難題，例如：玻爾和海森伯將觀察者在量子波函數坍縮中的作用形式化；德布羅意和玻姆引入新的“隱”變量；甚至休·埃弗雷特提出了“多世界”理論，假設每次測量都會創造新宇宙。

但這些解決方案都未能完全令人滿意。事實上，測量問題似乎如此難以解決，以至于下一代大多數物理學家都選擇對其避而遠之，轉而傾向于一種有時被描述為“閉嘴計算”的研究方法——這種描述并非總是帶有貶義。

如今的量子物理學家則不同。Barontini將其稱為“測量效應的神化”，他們并未將這一現象視為需要克服的障礙或可忽略的瑣事，而是在做一件幾乎沒有前輩能想象到的事：他們正將量子芝諾效應轉化為有用的工具。

噪聲管理

為了理解通過測量“凍結”量子系統的實用價值，可以考慮量子計算機中的量子比特。許多量子算法首先將量子比特初始化為所需狀態，并將其保持在該狀態，直到需要執行計算為止。問題在于，量子系統很少能保持在設定的狀態。事實上，它們出了名地容易在受到環境的微小干擾(噪聲)時失去量子特性(退相干)。“遺憾的是，每當我們構建量子計算機時，都必須將它們嵌入現實世界，而現實世界只會帶來麻煩，”Burgarth說。

量子科學家有許多應對環境噪聲的策略。其中一些策略是被動的，例如使用稀釋制冷機冷卻超導量子比特，以及利用電場和磁場將離子和原子量子比特懸浮在真空中。不過，也有一些是主動的策略。實際上，這些主動策略涉及誘使量子比特保持在其應處的狀態，而避免進入不應處的狀態。

量子芝諾效應就是這樣一種“把戲”。“其原理是我們對系統施加一連串的擾動，實際上每次擾動都會使量子比特發生旋轉，”Burgarth解釋道，“你在旋轉這個系統，而實際上環境卻想讓它朝相反方向旋轉。”他補充說，隨著時間的推移，這些相反方向的旋轉會相互抵消，通過將系統“凍結”在特定狀態來保護它免受噪聲干擾。

量子態工程

盡管噪聲緩解很有用，但這并不是Burgarth和Barontini最感興趣的量子芝諾效應應用。他們一致認為，真正的價值在于所謂的量子態工程，這比單純阻止量子系統衰變或旋轉要復雜得多。

這種額外復雜性的根源在于，真實的量子系統——就像真實的人類一樣——通常擁有不止兩種可用狀態。例如，一個人可被允許的“清醒”狀態集合(我們不妨稱之為清醒的希爾伯特空間)可能包括做晚餐、洗碗和打掃浴室等狀態。量子態工程的目標是限制這種狀態空間，使系統只能占據特定應用所需的狀態。

至于量子芝諾效應是如何做到這一點的，Barontini通過引用芝諾最初提出的經典悖論來進行解釋。公元前5世紀，埃利亞(Elia)的哲學家芝諾提出了一個基于在空中飛行的箭的悖論。如果你在這支箭飛行過程中的任何一個可能的瞬間去觀察它，你會發現，在那個瞬間，它是靜止不動的。然而不知為何，這支箭仍然在移動，這是怎么回事呢？

Barontini解釋說，在量子版本中，觀察這支箭會將其凍結在原地，但這并非唯一發生的現象。“最有趣的是，如果我看向某個地方，箭就無法到達我注視的位置，”他說，“它將不得不繞道而行，必須改變軌跡以避開我的視野范圍。”

Barontini繼續說道，通過塑造這種“視野范圍”，物理學家可以塑造系統的行為。作為例子，他引用了Serge Haroche的研究——他與另一位著名的量子芝諾效應實驗家David Wineland共同獲得了2012年諾貝爾物理學獎。

2014年，Haroche及其在法國巴黎高等師范學院的同事試圖控制所謂“里德伯原子”內電子的動力學行為。在這類原子中，最外層電子與原子核的結合非常弱，可以占據多個高激發態中的任意一個。

研究人員利用微波場將51個這樣的高激發里德伯態分成兩組，然后向系統施加射頻脈沖。通常情況下，這些脈沖會導致電子在態之間躍遷。然而，微波場提供的持續“測量”意味著，盡管電子可以在每組態內部移動，但無法從一組躍遷到另一組。它被困住了，或者更準確地說，它處于一種被稱為薛定諤貓態的特殊量子疊加態中。

僅僅限制一個電子的行為，這聽起來可能并不是非常令人興奮。但在這項實驗以及其他實驗中，Haroche及其同事們證明了，施加這樣的限制會產生一系列不尋常的量子態。這就好像是告訴一個系統它不能做什么，反而迫使它去做一堆其他的事情，就如同一個拖延者為了逃避打掃浴室而去做晚飯和洗碗一樣。“這確實豐富了你的量子工具庫，”Barontini解釋道，“你能夠生成一種糾纏態，這種糾纏態比你用傳統方法所能生成的其他量子態的糾纏程度更高，或者從方法學角度來說更有用。”

那么，測量究竟是什么？

除了生成有趣的量子態外，量子芝諾效應還在揭示量子測量的本質方面提供了新見解。事實證明，就量子芝諾效應而言，“測量”的構成問題出人意料的寬泛。2014年，意大利佛羅倫薩大學Augusto Smerzi領導的物理學家團隊巧妙地證明了這一點。他們的研究表明，只需用共振激光照射量子系統(圖2)，就能產生與更復雜的“投影”測量相同的量子芝諾動力學效應。在該實驗中，投影測量涉及以針對特定原子躍遷定制的頻率向系統施加成對激光脈沖。“可以說，幾乎任何事物都會引發芝諾效應，”Burgarth說，“這是一種非常普遍且易于觸發的現象。”

圖2　超冷87Rb原子群的能級結構，在由

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其他研究拓寬了我們對測量所能發揮作用的理解。雖然量子芝諾效應利用重復測量將量子系統“凍結”在特定狀態(或者至少減緩其從一種狀態到另一種狀態的演化過程)，但也有可能采取相反的做法，即利用測量來加速量子態的轉變。這種現象被稱為量子反芝諾效應，而且它有其自身的應用領域。例如，它可以加快量子化學中的反應速度。

在過去約25年的時間里，人們做了大量的研究工作，旨在弄清楚普通的量子芝諾效應在何處結束，而量子反芝諾效應又從何處開始。一些系統既可以呈現出芝諾動力學特性，也能呈現出反芝諾動力學特性，這取決于測量的頻率以及各種環境條件。而另一些系統似乎更傾向于表現出其中的一種特性。

但無論最終證明哪種效應(芝諾效應或反芝諾效應)最為重要，量子芝諾效應的研究絕不是停滯不前的。在芝諾提出其悖論約2500年后，他的思想后繼者們仍在對其苦思冥想。

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