描述微觀世界的量子力學在約一個世紀前剛問世那會，代表著一些與經典理論完全相悖的，被當時的物理學家們稱為是“激進”的反直覺思想，其中相當著名的一個便是“量子躍遷（Quantum Leap）”，即一個量子系統在兩個量子態間的轉換過程。

雖然有部分較為純粹的物理學家認為這個詞存在歧義，但由于粒子在兩個量子態間轉換的過程中所需的能量極少，此前包括很多量子領域先驅人物在內的物理學家都曾一度將這一過程默認為是“瞬間發生的”。

然而就在最近，一項由耶魯大學主導的新研究表明，量子躍遷其實是一個如快放電影般的連續過程，而不是人們此前所想的那種“瞬間發生”的非連續事件。研究由耶魯大學納米級應用物理實驗室主管，Michel Devoret 的學生 Zlatko Minev 領導，結果已于近日發表在 Nature 雜志上。

在研究中，研究人員通過特制的高速監測系統，成功捕捉到了量子躍遷將要發生的起始時間，并以此在量子躍遷進行到一半的時候人為逆轉量子態的轉換過程，使系統恢復到其初始態，實現了對此前被認為是“不可避免且完全隨機”的量子態轉換過程的量化操控。

圖丨量子躍遷是一個極快的漸進過程。（來源：Quanta Magazine，qoncha）

離散與隨機

量子物理學家馬克思波恩（Max Born）曾表示：“量子躍遷，表面上看是一個物理學問題，其實卻是一個與人類認知相關的哲學問題。”

量子躍遷的“瞬發性”最早由包括尼爾斯波爾（Niels Bohr）和沃納海森堡（Werner Heisenberg）等早期量子物理學家于上世紀 20 年代提出，是哥本哈根學派量子力學理論的核心支柱之一。

波爾認為，原子中每個電子的能級都是“量子化的”（quantized，此處可以近似理解為是“量化的”，因為量子化本身指的其實是一個 quanta 對應一個特定的能量值），因此電子能級躍遷所需的能量也是“量子化”的，僅有當入射能量的大小等于特定的值時電子的能級躍遷才會發生，他提出，這一過程能由“電子吸收和放出攜帶合適大小能量的光子”來完成，并以此解釋了不同原子的吸收和放射光譜會呈現出不同特征（即吸收和放射的光線的波長差異）。

波爾和海森堡于上世紀20 年代起開始著手研究粒子量子行為背后的數學原理。其中，海森堡所建的模型能夠計算出一個粒子的所有“可被允許的”量子態，但把這些量子態間的轉換假設為了一種非連續的離散過程，并由此引出了根本哈根學派基本假設之一的“量子躍遷”概念。

但埃爾溫薛定諤（Erwin Schr?dinger）對此并不贊同，并于后來對此提出了用于連續地量化描述粒子狀態的薛定諤方程（也就是波函數或波方程）。

具有連續性的波函數實質上可以被看作是海森堡離散量子態模型的一個替代模型，在物理上表示一個量子系統所處的狀態，而其波狀外形也會隨時間的推移而發生連續性的變化（就好比是海面上的波浪）。薛定諤認為，由于當時間等于零時他模型中并沒有體現出海森堡模型中的“瞬間轉換”，“量子躍遷”在現實中其實并不存在。

事實上，“量子躍遷”的問題還僅限于它的“不連續性”，其發生的時間在海森堡模型中也被認為是“完全隨機”的，即海森堡模型能解釋為何量子躍遷要在某一特定時刻發生，認為這是現實的一種內置隨機性。

這一觀點遭到了薛定諤和愛因斯坦的反對，認為這種基于隨機性的宇宙是荒謬的，而“量子躍遷”問題也因此從一個物理問題因此上升成了一個哲學問題。

繞開觀測難題

1986 年，有三個團隊最早觀測到了單個原子的量子態轉換，具體來說，是被電磁場懸浮于空中的單個原子在“明”（可放出光子）與“暗”（不可放出光子）兩個態間的轉換。

在觀測中，原子會在一個狀態下維持十幾分之一秒到數秒，然后發生“躍遷”轉換為另一種狀態。此后，也陸陸續續也有很多別的團隊觀測到了這種轉換，而在所有這些實驗中，這種量子態間的轉換過程在對量子系統的監控過程中看起來的確像是完全隨機和突然的，但此次耶魯大學的新實驗在觀測設定上通過盡可能的利用可獲取的信息并確保這些信息不會在系統被測量前被泄露，使科學家能密切跟蹤單次量子態轉換過程，并預測出每次轉換將會于何時發生。

具體來說，此次研究中所使用的量子系統是一個遠大于單個原子，由超導材料導線所制成的“人造原子”，這種人造原子具有與真實原子中電子能級相似的量子態，能通過吸收或發射光子來完成在不同量子態間的轉換。