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薛丁格的貓不再既死又活：科學家稱能預測粒子的量子躍遷行為

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科學家首次實現同處兩地的“薛定諤貓” - 量子雙模式貓態

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WIKI
http://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%96%9B%E5%AE%9A%E8%B0%94%E7%8C%AB

薛丁格貓（英語：Erwin Schrödinger's Cat）是奧地利物理學者埃爾溫·薛丁格於1935年提出的一個思想實驗，時常會被表述為一個弔詭。通過這思想實驗，薛丁格指出了應用量子力學的哥本哈根詮釋於宏觀物體會產生的嚴峻問題，以及這問題與物理常識之間的矛盾。在這思想實驗裏，由於先前發生事件的隨機性質，貓會處於生存與死亡的疊加態。

根據去相干理論，貓不可能永遠處於生存與死亡的疊加態，由於環境的影響，很快地會產生去相干效應，貓改而處於生存或死亡的經典統計學狀態，因此，一般而言，絕對無法觀察到這生存與死亡的疊加態。[1]:82至今為止，物理學者只能精心製備出一些介觀物體的疊加態。

雖然這思想實驗是個假想實驗，類似原理已被研究與運用在實際應用領域。當理論研討量子力學的詮釋問題時，這思想實驗也時常會被特別提出為試金石。


科学家描述“薛定谔的猫”背后的波函数
http://www.cnbeta.com/articles/381951.htm
在量子力学中，量子系统的量子态可以用波函数（用希腊字母“ψ”表示）来描述。

昆士兰大学数学和物理学院的亚历山德罗（Alessandro Fedrizzi）博士解释道，尽管量子波函数是我们用来描述量子力学系统的核心工具，但我们对它的本质还了解得不是很透彻。“它是只表现了我们对一个系统真实状态的有限了解，还是会与这种真实状态发生直接联系？”他说，“还有，是否客观存在着这样的真实？”

几十年来，这一争论一直只停留在理论层面，直到近日，包括共同作者Cyril Branciard博士和Eric Cavalcanti博士在内的三个研究团队才进行了实验测试，对该问题进行了解答。

“这一新进展测试了对波函数的几种阐述是否能解答‘我们为什么不能肯定地说出量子状态’的问题，这个问题正是量子力学中的核心所在。”研究主要作者Martin Ringbauer说，“我们的结果显示，如果存在客观真实，那波函数就会对这个真实做出反应。”他们的研究发表在近日的《自然-物理学》（Nature Physics）杂志上。

换句话说，“薛定谔的猫”实际状态就是既是活的也是死的。随着测量手段的进一步改进，物理学家将只剩下两种对波函数的解释：或者波函数是完全真实的，或者没有什么是完全真实的。

http://www.cnbeta.com/articles/505459.htm

世界上有很多有名的猫，但最神秘、最难以理解的猫莫过于既死又活的“薛定谔猫”。新一期美国《科学》杂志26日发表研究说，科学家在实验中制造出一种状态 更加奇异的“薛定谔猫”，它同时存在于两个箱子之中，这项成果朝研制实用可靠的量子计算机迈出了又一步。根据量子力学理论，物质在微观尺度上存在两种完全 相反状态并存的奇特状况，这被称为有效的相干叠加态。由大量微观粒子组成的宏观世界是否也遵循量子叠加原理？奥地利物理学家薛定谔为此在1935年提出著 名的“薛定谔猫”佯谬。

“薛定谔猫”假设了这样一种情况：将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里，如果镭发生衰变，会触发机关打碎装有氰化物的瓶子，猫就会死；如果镭不发生衰变，猫就存活。根据量子力学理论，镭的衰变存在几率，放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加，猫就理应处于死和活的叠加状态，这就是所谓“薛定谔猫”。

既死又活的猫在现实世界是荒谬的，但随着量子力学的发展，科学家已经成功使多粒子构成的系统达到这种难以理解的量子“薛定谔猫”态。由于这些粒子都属于同一种粒子，因此又被称为单模式猫态。

《科学》杂志发表的新研究第一次给单模式猫态引入量子纠缠的元素。量子纠缠是量子力学的另一个基本概念，大意是相隔很远的两个系统可以瞬间互相影响，被爱因斯坦称为“远距离闹鬼”。

论文第一作者、美国耶鲁大学博士后王晨告诉新华社记者：“我们产生的量子态可以比作一只‘薛定谔猫’跨越两个箱子，或者说是首次实现一种双模式猫态。这是一个20年前就有所展望但是至今终于得以圆满（解决）的难题。”

具体而言，他们设计了两个微波超导空腔，而“薛定谔猫”就是空腔内由几十个光子组成的驻波。驻波是指两个频率相同的波在沿相反方向传播时互相叠加而成的波。这两个空腔内的光子虽然频率不同，但跨空腔关联，如同一只“薛定谔猫”同时存在于两个箱子中。

王晨说，这项成果的实际用途在于量子计算。未来的量子计算机可以比普通的计算机强大得多，但要实现有用的量子计算，量子纠错能力必不可少，这是目前研制量子计算机的一个主要障碍，而双模式猫态将有望为量子计算的运算过程加入量子纠错。双模式猫态还可对其他量子信息技术有所帮助，如量子通信、量子精密测量等。

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薛丁格貓（英語：Erwin Schrödinger's Cat）是奧地利物理學者埃爾溫·薛丁格於1935年提出的一個思想實驗，時常會被表述為一個弔詭。

通過這思想實驗，薛丁格指出了應用量子力學的哥本哈根詮釋於宏觀物體會產生的嚴峻問題，以及這問題與物理常識之間的矛盾。
在這思想實驗裏，由於先前發生事件的隨機性質，貓會處於生存與死亡的疊加態。

根據去相干理論，貓不可能永遠處於生存與死亡的疊加態，由於環境的影響，很快地會產生去相干效應，

貓改而處於生存或死亡的經典統計學狀態，因此，一般而言，絕對無法觀察到這生存與死亡的疊加態。
至今為止，物理學者只能精心製備出一些介觀物體的疊加態。

雖然這思想實驗是個假想實驗，類似原理已被研究與運用在實際應用領域。
當理論研討量子力學的詮釋問題時，這思想實驗也時常會被特別提出為試金石



http://blog.xuite.net/tonycjones/twblog/150779020-%E9%87%8F%E5%AD%90%E7%89%A9%E7%90%86%E5%AD%B8%E7%9F%A5%E8%AD%98%E5%B0%8F%E7%99%BE%E7%A7%91%EF%BC%9A%E4%BB%80%E9%BA%BC%E6%98%AF%E8%96%9B%E5%AE%9A%E8%AB%A4%E7%9A%84%E8%B2%93%EF%BC%9F

把一隻貓放進一個不透明的盒子裡，然後把這個盒子連接到一個包含一個放射性原子核和一個裝有有毒氣體的容器的實驗裝置。設想這個放射性原子核在一個小時內有50%的可能性發生衰變。如果發生衰變，它將會發射出一個粒子，而發射出的這個粒子將會觸發這個實驗裝置，打開裝有毒氣的容器，從而殺死這隻貓。根據量子力學，未進行觀察時，這個原子核處於已衰變和未衰變的疊加態，但是，如果在一個小時後把盒子打開，實驗者只能看到“衰變的原子核和死貓”或者“未衰變的原子核和活貓”兩種情況。薛定諤在1935年發表了一篇論文，題為《量子力學的現狀》，在論文的第5節，薛定諤描述了那個常被視為惡夢的貓實驗：哥本哈根 派說，沒有測量之前，一個粒子的狀態模糊不清，處於各種可能性的混合疊加。比如一個放射性原子，它何時衰變是完全概率性的。只要沒有觀察，它便處於衰變/不衰變的疊加狀態中，只有確實地測量了，它才會隨機的選擇一種狀態而出現。那麼讓我們把這個原子放在一個不透明的箱子中讓它保持這種疊加狀態。現在薛定諤想像了一種結構巧妙的精密裝置，每當原子衰變而放出一個中子，它就激發一連串連鎖反應，最終結果是打破箱子裡的一個毒氣瓶，而同時在箱子裡的還有一隻可憐的貓。事情很明顯：如果原子衰變了，那麼毒氣瓶就被打破，貓就被毒死。要是原子沒有衰變，那麼貓就好好地活著。　　
這個理想實驗的巧妙之處，在於通過“檢測器－錘子－毒藥瓶”這條因果鏈，似乎將鈾原子的“衰變－未衰變疊加態”與貓的“死－活疊加態”聯繫在一起，使量子力學的微觀不確定性變為宏觀不確定性；微觀的混沌變為宏觀的荒謬——貓要么死了，要么活著，兩者必居其一，不可能同時既死又活！難怪英國著名科學家霍金聽到薛定諤貓佯謬時說：“我去拿槍來把貓打死！”

相關疑惑

如果我們不揭開密室的蓋子，根據我們在日常生活中的經驗，可以認定，此貓或者死，或者活。這是她的兩種本徵態。但是，如果我們用薛定諤方程來描述薛定諤貓，則只能說，她處於一種活與不活的疊加態。我們只有在揭開蓋子的一瞬間，才能確切地知道此貓是死是活。此時，貓的波函數由疊加態立即收縮到某一個本徵態。　　
量子理論認為：如果沒有揭開蓋子，進行觀察，我們永遠也不知道此貓是死是活，她將永遠都處於半死不活的疊加態。這與我們的日常經驗嚴重相違，要么死，要么活，怎麼可能不死不活，半死半活？　　
薛定諤挖苦說：按照量子力學的解釋，箱中之貓處於“死－活疊加態”——既死了又活著！要等到打開箱子看貓一眼才決定其生死。 （請注意！不是發現而是決定，僅僅看一眼就足以致命！）正像哈姆雷特王子所說：“To be or not to be,that was a question."只有當你打開盒子的時候，疊加態突然結束（在數學術語就是“坍縮（collapse）”），哈姆雷特王子的猶豫才終於結束，我們知道了貓的確定態：死，或者活。哥本哈根 的機率詮釋的優點是：只出現一個結果，這與我們觀測到的結果相符合。　　
但是有一個大的問題：它要求波函數突然坍縮。但物理學中沒有一個公式能夠描述這種坍縮。儘管如此，長期以來物理學家們出於實用主義的考慮，還是接受了哥本哈根 的詮釋。付出的代價是：違反了薛定諤方程。這就難怪薛定諤一直耿耿於懷了。

自然推論

當它們都被鎖在箱子裡時，因為我們沒有觀察，所以那個原子處在衰變/不衰變的疊加狀態。因為原子的狀態不確定，所以貓的狀態也不確定，只有當我們打開箱子察看，事情才最終定論：要么貓躺在箱子裡死掉了，要么它活蹦亂跳地“喵嗚”直叫。問題是，當我們沒有打開箱子之前，這隻貓處在什麼狀態？似乎唯一的可能就是，它和我們的原子一樣處在疊加態，這隻貓當時陷於一種死/活的混合。　　
一隻貓同時又是死的又是活的？它處在不死不活的​​疊加態？這未免和常識太過衝突，同時在生物學角度來講也是奇談怪論。如果打開箱子出來一隻活貓，那麼要是它能說話，它會不會描述那種死/活疊加的奇異感受？恐怕不太可能。換言之，“薛定諤貓”概念的提出是為了解決愛因斯坦的相對論所帶來的祖母悖論，即平行宇宙之說。　　
薛定諤貓佯謬實際上提出了一個十分重要的問題：什麼是量子力學的觀測？觀察或測量都與人的主觀有關，而人在箱外，所以必須打開箱子才能決定貓的死活。誰都知道箱中貓的死活是由鈾的衰變決定的——衰變前貓是活的，衰變後貓就死了，這與是否有人打開箱子進行觀察毫不相干。所以毛病出在觀測的主觀性上，應該朝這個方向尋根究底。

微觀的觀測與宏觀的觀測有所不同。宏觀的觀測對被觀測對像沒有什麼影響。俗話說：“看一眼總行吧。”意思是對所看之物並無影響，用不著擔心。微觀的觀測對被觀測對像有影響，會引起變化。以觀測電子為例，要用光照才能看見，光的最小單位光子的能量雖小但不是零，光子照到被觀測的電子上，對電子的影響很大。所以，在微觀世界中看一眼也會惹禍！　　
量子力學認為，觀測的結果使得被觀測對象的狀態改變了：一個確定態從原先不確定的疊加態中蹦了出來。再追究下去，觀測無非是觀測手段（如光子）與被觀測對象（如電子）之間的一種相互作用，這種相互作用並不一定與觀測者聯繫起來，後者可以用檢測器之類的儀器代替。經過幾十年的探索，物理學家終於認識到：在由疊加態到確定態的轉變中，觀測曾經扮演的角色應該以相互作用來代替，這樣不僅更普遍而且更客觀。具體到薛定諤貓佯謬，就能將人的主觀因素完全排除——貓的死活不是由人開箱看貓一眼所決定的。　　
讀者會說：“不就是一隻假想的貓嗎，讓霍金開槍打死不就完了。”事情並非那麼簡單，否則許多物理學大師就不會那麼孜孜以求了。薛定諤貓佯謬衍生出更深刻的問題：大量原子、分子所構成的生物與這些微觀粒子遵從的量子力學規律之間的關係究竟是什麼？這不僅是重要的理論問題，而且具有實際意義。例如，自我意識的機制至今仍然是未解之謎，有人認為可能與量子力學或者更深層次的微觀規律有關。再如思維過程中的“頓悟”，會不會與前述之“一個確定態就從原先不確定的疊加態中蹦了出來”有關呢？可能有關的還有：生命的起源、物種的變異、光合作用的機制……如此等等。總之，生命的秘密和思維的奧妙不可能與量子力學的規律無關。這就難怪薛定諤後來轉而對生命科學很感興趣了。 1946年他寫出了著名的《生命是什麼》一書，提出了一些很有創見的觀點。遺憾的是，在他有生之年，那可憐的箱中之貓依然生死不明。

後續研究

物理學是實驗科學，一切要由實驗來判定。較早的一批關於“薛定諤貓”的實驗是將處於疊加態的單個原子或分子從周圍環境中孤立起來，然後以可控制的方法使之相互作用，以觀察其變化。結果發現，關鍵在於環境的相互作用，它導致原先的量子疊加態轉變為經典的確定態。但是將這些實驗對象當作薛定諤貓是一種極度的簡化，單個原子或分子與薛定諤貓相去何止十萬八千里。　　
1996年5月，美國科羅拉多州博爾德的國家標準與技術研究所（NIST）的Monroe等人用單個鈹離子作成了“薛定諤的貓”並拍下了快照，發現​​鈹離子在第一個空間位置上處於自旋為正的狀態，而同時又在第二個空間位置上處於自旋為負的狀態，而這兩個狀態相距80納米之遙！ （1納米為1米的十億分之一）——這在原子尺度上是一個巨大的距離。想像這個鈹離子是個通靈大師，他在紐約與喜馬拉雅同時現身，一個他正從摩天樓頂往下跳傘；而另一個他則正爬上雪山之巔！ ——量子的這種“化身博士”特點，物理學上稱“量子相干性”。在早期的楊氏雙縫實驗中，單個光粒子即以優美的波粒二象性，輕巧地同時穿過兩條狹縫，在觀察屏上製造出一幅美麗的明暗相干條紋
薛定諤貓是他在1935年提出的關於量子力學的一個佯謬。這些年來許多物理學家絞盡腦汁，試圖解開這個佯謬。顯然，既死又活的貓是荒謬的。薛定諤想要藉此闡述的物理問題是：宏觀世界是否也遵從適用於微觀尺度的量子疊加原理。 “薛定諤貓”佯謬巧妙地把微觀放射源和宏觀的貓聯繫起來，旨在否定宏觀世界存在量子疊加態。然而隨著量子力學的發展，直到最近經過一系列精巧的實驗，這個問題才逐漸有了眉目。 2000年7月，《自然》報導了最新的實驗結果。這次《自然》報導的實驗與上述那些實驗不同。紐約州立大學石溪分校弗里德曼（JR Friedman）等人拿來做實驗的“薛定諤貓”不是單個粒子，而是在接近絕對零度的超導體環形電路中由幾十億對電子構成的超導流。

美國國家標準和技術研究所的萊布弗里特等人在最新一期《自然》雜誌上稱，他們已實現擁有粒子較多而且持續時間最長的“薛定諤貓”態。實驗中，研究人員將鈹離子每隔若干微米“固定”在電磁場阱中，然後用激光使鈹離子冷卻到接近絕對零度，並分三步操縱這些離子的運動。為了讓盡可能多的粒子在盡可能長的時間裡實現“薛定諤貓”態，研究人員一方面提高激光的冷卻效率，另一方面使電磁場阱盡可能多地吸收離子振動發出的熱量。最終，他們使6個鈹離子在50微秒內同時順時針自旋和逆時針自旋，實現了兩種相反量子態的等量疊加糾纏，也就是“薛定諤貓”態。　　
實驗證明，這種由大量粒子構成的宏觀量子系統也可以處於疊加態——相當於薛定諤貓的“死－活疊加態”。幾十億對電子構成的超導流當然還不能與幾億億億個原子構成的貓相比，但較之單個原子分子畢竟前進了一大步。所以有人驚呼：“薛定諤貓變胖了！” 　　
奧地利因斯布魯克大學的研究人員也在同期《自然》雜誌上報告說，他們在8個離子的系統中實現了“薛定諤貓”態，但維持時間稍短。　　
科學家稱，“薛定諤貓”態不僅具有理論研究意義，也有實際應用的潛力。比如，多粒子的“薛定諤貓”態系統可以作為未來高容錯量子計算機的核心部件，也可以用來製造極其靈敏的傳感器以及原子鐘、干涉儀等精密測量裝備。

下一步是否拿一隻真的貓來做實驗呢？不可能！首先是無法將之與周圍環境隔離——置於真空中的貓馬上會死掉。其次，與接近絕對零度的超導流不同，常溫下的貓根本不是宏觀量子系統，何來疊加態？而且也沒有必要做這樣的實驗，物理學家根據現有的實驗結果，對薛定諤貓為什麼不可能有“死－活疊加態”已能作出符合量子力學的解釋。

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在剛剛發表於《科學》雜誌上的一篇研究里，耶魯大學博士後王晨(Chen Wang)把薛定諤的貓玩出了新花樣。他發現，如果給那隻貓第二個盒子，它將同時生、同時死、同時存在於兩個盒子里。

如果你打開其中一個盒子，你看到的可能是死掉的半隻貓。如果同時打開兩隻盒子，你看到的可能是活著的一隻貓。
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眾所周知，在量子力學中，粒子有著「態疊加」,可以同時處於兩種狀態。比如光子可以同時縱向極化和橫向計劃的兩個偏振態，受到觀察時才顯現出其中一種狀態。

王晨告訴記者：「我們產生的量子態可以比作一隻『薛定諤貓』跨越兩個箱子，或者說是首次實現一種雙模式貓態。這是一個20年前就有所展望但是至今終於得以圓滿解決的難題。」

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我們在這討論的是一個類似薛定諤貓實驗的模型。電磁場代替了貓，空腔代替了盒子。在這裡，只打開一個空腔無法看到完整的貓。

該耶魯團隊造出兩個邊長為2.5cm的超高純度鋁製空腔，讓光子在微波的激發下在腔中彈射。然後將兩個盒子用超導藍寶石晶片相連，相當於造出一個同時存在於兩個盒子中的薛定諤貓。

通過測量兩個盒子中光子的數量，他們能在不打開盒子的情況下知道腔中的貓態。他們發現在切斷晶片相連後，只有同時打開兩個盒子，才會得到一個完整的，不是死就是活的貓態。

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倫敦帝國學院物理教授Myungshik Kim指出，幾十年前就有人在一個微波空腔里造出貓態，法國物理學家Serge Haroche還借著這個拿到了諾貝爾獎。但把兩個空腔中的貓態關聯在一起能幫助光狀態的精確測量。

王晨所在的耶魯實驗室正在試圖將這種貓態運用到量子位元(qubit)中以加速量子計算機的發展。目前量子計算機里99%的計算被用在糾正自身錯誤之上。關聯量子位元的貓態可以幫助檢查系統中的這些錯誤，節省量子計算所需的時間。

薛丁格貓  科学家发现量子跃迁有预警信号
https://www.cnbeta.com/articles/science/854683.htm

结论是，薛定谔的猫的命运不仅可以在稍早前预测，甚至还可以逆转。

报道称，尽管这只著名的猫科动物只不过是一种思想实验，但它概括了量子理论中一个关键的难题。这个概念讲的是一只猫被放进盒子里，当放射性材料的原子衰变时，盒子里的毒药就会被释放出来。然而，放射性衰变是否发生，也就是这只猫是生是死，只有通过观看盒子内部才能知道。在那之前，这只猫可能在同一时间既是死的、也是活的。

https://technews.tw/2019/06/17/quantum-jump-schrodingers-cat-electronic-particle/

「薛丁格的貓」是量子物理學著名的思想實驗：在你打開一個密閉、裝有毒氣的箱子之前，裡面的貓有多種生存狀態，可能是死、也可能是活，只有打開箱子瞬間能得到答案，這同時也是量子躍遷的不可預測性。然而現在，耶魯大學科學家卻說，量子躍遷實際上並非隨機性「跳躍」，而是有跡可循的「滑行」，顛覆一直以來的量子認知。


量子躍遷（quantum jump）是量子物理學術語，指原子內的電子從某個軌道跳到另一個軌道的過程，這過程不連續，也就是說，不存在電子出現在兩個軌道之間的狀態。

所謂電子軌道，如同太陽系中八大行星於各自軌道繞著太陽運轉，地球不會跑到火星的軌道、火星也不會跑去其他行星的軌道，原子中的電子也類似行星一樣繞著原子核運行（只是並非同心圓軌道）。根據物理學家尼爾斯·波耳提出的波耳模型，電子運轉於原子內某一特定軌域，具有特定能級，距離原子核越遠的軌域，能級就越高，當電子從高能級軌域躍遷到低能級軌域時，會釋出能量；相反地，電子從低能級軌域躍遷到高能級軌域會吸收能量。

薛丁格貓就是量子力學的思想實驗。把一隻貓、一個裝有氰化氫氣體的玻璃燒瓶和放射性物質放進封閉的盒子，當盒內監控器偵測到衰變粒子時，就會打破燒瓶殺死這隻貓。然而，在我們打開盒子之前，我們不知道放射性物質是否釋放、貓咪是死是活，只有打開盒子的剎那可知道貓是死是活，在此之前，活著的貓是基態，死亡的貓是激發態，貓咪處於生存與死亡的疊加態。

而在量子力學，核心理念就是粒子行為會變得「不可預測」，只有在觀察的瞬間可得到答案。微觀程度上，粒子將呈現離散狀態而非連續狀態，也就是說粒子會像跳樓梯隨機跳到另一種狀態，而不是順著斜坡有跡可循，在我們觀察一個粒子之前，粒子同時處於多種狀態，只在我們觀察的瞬間，粒子才立即陷入某種狀態。

然而耶魯大學一篇新研究表明，跳躍並非瞬間發生，實際更像滑行而不是跳躍，只是滑行速度快到我們以為是跳躍。論文第一作者 Zlatko Minev 表示，我們以為跳躍就像瞬間移動出現在我們觀察的那一刻，但當把時間放慢，情況立刻大不相同。

研究人員於實驗中利用一種特殊方法間接監測超導人造原子，當以微波輻射攪動原子並使其出現量子躍遷時，研究人員看到突然出現的光子，說明粒子即將躍入激發態，可當成量子跳躍前的預告。一旦量子跳躍，就會遵循相同路徑。團隊觀察了超過 680 萬次跳躍，模式都是一致的。

雖然「長期來看」仍有不可預測性，比如研究人員無法準確預測量子跳躍何時發生，可能是 5 分鐘後、也可能是 5 小時後， Zlatko Minev 形容這有點像火山爆發，無法預測何時會發生噴發災難，但是透過嚴密準確的監控，我們能確定某些現象，預警災難即將發生。

甚至若我們有能力介入，還能扭轉災難，如果拿薛丁格的貓來說──我們可在牠死亡之前介入干預救回牠。

量子跳躍的不可預測性會導致量子電腦計算時出現問題，如果量子跳躍不再隨機、而是可預測的行為，或讓量子電腦領域走上光明大道，雖然將研究整合到現有量子電腦前還有很多路要走。新論文發表在《自然》（Nature）期刊