實驗結果用動畫GIF進行總結，該GIF顯示了在百萬分之一秒內離子的量子態發生了什麼。通過三維座標顯示量子狀態。條的高度指示可能的量子態的疊加程度。影片展示了在測量過程中某些重疊是如何丟失的，以及這種丟失是如何逐漸消失的，而其他的重疊則保留在理想的量子測量中。圖片：F. Pokorny et al., "Tracking the dynamics of an ideal quantum measurement," Physical Review Letters 2020

測量量子系統會導致它發生變化，這是量子力學的奇怪但基本的方面之一。斯德哥爾摩大學的研究人員現在已經能夠證明這種變化是如何發生的。研究結果發表在科學雜誌《物理評論快報》上。

量子物理學描述了單個原子的內部世界，這個世界與我們的日常經驗大不相同。量子力學的許多奇怪但基本的方面之一是觀察者的角色-測量量子系統的狀態會導致其發生變化。儘管理論中測量過程非常重要，但仍然存在未解決的問題：在測量過程中，量子態會立即崩潰嗎？如果沒有，那麼測量過程將花費多少時間，並且在任何中間步驟中系統的量子狀態是什麼？

來自瑞典、德國和西班牙的研究人員的合作使用單個原子（電場中捕獲的鍶離子）回答了這些問題。對離子的測量僅持續百萬分之一秒。通過製作由不同測量時間拍攝的照片組成的動畫，他們表明狀態的變化在測量影響下逐漸發生。

原子遵循量子力學定律，通常與我們的正常期望相矛盾。原子的內部量子態由圍繞原子核旋轉的電子的狀態形成。電子可以在靠近或更遠的軌道上繞原子核旋轉。但是，量子力學也允許所謂的疊加態，在這種狀態下，電子同時佔據兩個軌道，但每個軌道僅具有一定的概率。

“每當我們測量電子的軌道時，測量的答案將是電子處於較低或較高的軌道，而兩者之間則永遠不會有東西。這是正確的，即使初始量子態是兩者的疊加也是如此。從某種意義上說，這種測量迫使電子決定它處於兩種狀態。”

動畫顯示了測量過程中的演變。單個圖片顯示斷層掃描資料，其中條形的高度顯示了仍保留的重疊程度。在測量過程中，某些疊加態會丟失，並且這種丟失是逐漸發生的，而其他的疊加態則會保留下來。

“這些發現為自然界的內部運作提供了新的思路，並且與現代量子物理學的預測相一致。”斯德哥爾摩研究小組負責人馬庫斯·亨裡希（Markus Hennrich）說。

這些結果在基本量子理論之外也很重要。量子測量是量子計算機的重要組成部分。斯德哥爾摩大學的這個小組正在研究基於捕獲的離子的計算機，在量子計算結束時，這些測量資料將被用於讀出結果。