通过测量来控制量子系统

由于量子力学的复杂性，物理学家迄今为止在控制量子系统方面面临着严重的困难。在他的研究中，明尼苏达·卡尔顿学院的Arjendu Pattanayak博士展示了振动量子系统的动态可以通过调整用于测量它们的激光器的设置来改变。他的团队的结果可能导致量子实验的能力突破，但也可能对我们对时间流动的理解产生深远的影响。

也许量子系统最著名的特性之一就是它们可以同时以多种不同的状态存在——但仅限于它们被“观察到”的那一刻。当它们的属性被测量时，这些可能的状态云“坍缩”成一个状态，我们将其视为观测的唯一结果。由于这种不可避免的特性，物理学家在过去几十年里经常认为量子系统过于复杂和不可预测，无法建立任何合理的控制程度。然而，随着最近的研究，这种情况正在迅速改变。

Pattanayak博士解释说:“量子系统的演化是许多潜在测量结果的‘叠加’状态。”“与系统互动可以极大地改变动态，但现在，我们正在学习如何以不寻常的、潜在有价值的方式利用这种测量‘后退动作’。”从本质上说，这些努力都是在考虑这种测量对“量子非线性振荡器”的影响——这些系统的振动方式并不能直观地反映作用在它们身上的力，而且随着时间的推移，能量逐渐耗散到它们周围的环境中。

在他的工作中，Pattanayak Dr探讨了如何设置用于测量这些系统的设备如何改变能量流过它们的方式，反过来改变他们的动态。

直到最近，量子测量还与潜在值范围的“射影崩塌”联系在一起，以得到一个特定的尖锐结果。

减少，但不是单一国家
在他们在实际实验中被观察到之前，许多物理思想最初是通过数学理论来探索的。正如Pattanayak博士所描述的那样，物理学家们现在已经开始考虑如何用现代技术进行实验观测来减少系统可能存在的状态数，而不是减少到单个状态。

他说:“直到最近，量子测量都与潜在值范围的‘投射坍缩’有关。”“我们现在使用更‘模糊’的测量方法，导致较小的坍塌——与原始状态相比，潜在值范围的减少相对要小得多。这被称为‘弱测量’。”

不可避免地，描述量子状态如何变换为较小的理论，比将单个状态视为结果时的较小程度更复杂。对于Pattanayak博士，这意味着我们目前的解释非线性振荡器行为的方法应更新，以考虑测量装置本身的特性。为了解决这一挑战，Pattanayak博士和他的合作者包括在澳大利亚两个不同机构的物理学家中，已经采取了一种新方法来描述量子系统弱测量。

调整一个理论
在他们最新的研究中，这些物理学家通过考虑用于观察量子系统的激光器上的特定设置，提出了一种对以往弱测量技术的重新构想。这个设置称为“相位角”，描述了从一个系统发出的激光和尚未通过的光束之间的差异。对于具有相同波长的两个光束，相位角描述了它们之间振幅最高和最低的点之间的距离。通过调整激光，这个值可以手动改变。

随后，非线性振子的动力学可以通过两个不同的值的组合来描述:第一个被称为“期望值”的值，描述了振动系统测量的所有可能结果的平均值;或者，系统的某个元素在给定时间内最有可能被发现的位置。其次，这些元素可能围绕它们的期望值变化的位置范围被称为它们的“扩散”变量。

“最近，我们发现了一个优雅的重新制定了专注于改变激光器上相位角设置的影响的理论，”Pattanayak博士解释说。“我们的配方将量子振荡器动力学分开到预期值变量的那些，以及与差异变量相关的人。”

通过彻底描述激光如何影响这些动态，与测量有关的其他效果以及周围环境的条件可以被认为是一般波动，这对系统的动态没有其他有意义的影响。

我们发现了一个优雅的理论的重新制定，重点是改变相位设置对激光的影响。

理解能量流动
通过这种更复杂的理论，Pattanayak博士和他的同事现在已经新发现了量子非线性振荡器受到通过它们的能量的影响的方式。特别是激光相位角，他们表明扩散变量将吸收比在其他环境中的能量更多;显着改变系统的动态。“我们的重新制作使我们能够了解实验方案如何改变能量如何流过系统。也就是说，可以改变对环境的能量耗散，有效地迫使向内'向内'，以使扩展变量将“向外”更高的能量。例如，根据其他系统参数，系统可以从混沌到常规行为改变为常规行为，反之亦然，反之亦然。“这一结果非常重要，因为它建议首次实验主义者可以通过弱测量观察它们的混沌量子系统的动态来抓住一些对混沌量子系统的动态的控制。此外，它意味着即使量子系统变大 - 意味着可以在正常情况下使用经典物理学更好地描述 - 扩散变量吸收的能量意味着它们可以使它们保持其量子特性。

最终，该团队理论提供的定量描述似乎已经适用于由经典效应和量子效应组合控制的系统——尽管在它能够适用于纯量子系统之前还需要进一步的工作。然而，在定性层面上，他们的描述要深刻得多。

对量子力学有更广泛的影响
最终，团队的重整理论似乎与量子力学的最神秘后果之一：非划分。也称为“距离行动”，这一原则与目前无可争议的一般相对论的直接冲突，在一个世纪以前的爱因斯坦首次布局。在相对论要求宇宙中发生的情况下，必须由过去的事件引起，受到了有限速度的限制，研究人员的理论加入了似乎打破这一规则的现象清单。

Pattanayak博士总结道,“我们的研究结果表明,除了改变系统的行为的显著效果,通过交互信号来自系统——也就是说,看似影响行为在时间上向后——可能有真正有用的提高能量传播的后果变量。”通过他们未来的研究，物理学家将继续探索他们的结果的实验含义，以及系统所提出的深刻问题，这些系统的动力学被未来的激光束所改变，而这些激光束还没有击中它们。

特别是，Pattanayak博士和他的同事希望在测量Bose-Einstein凝聚物时探讨调整相位角的影响 - 当玻色子气体被冷却到绝对零以上时产生的异质物质状态。由于这些骨骼的大部分可以占据相同的量子状态，因此可以在宏观尺度上观察到它们的量子行为，从而允许各种令人兴奋的实验机会。目前，该团队的调查结果承诺明显改善量子非线性振荡器弱测量的实验机会。首次，他们的理论表明，研究人员可以对混沌系统及其不寻常的行为进行一定程度的控制。