量子芝諾效應（也稱為圖靈悖論），是一種量子效應：如果我們持續觀察一個不穩定的粒子，它將不會衰變。我們可以通過足夠高頻率的觀測來使其「凍結」在它的已知初態。
量子芝諾效應的名字起源於經典的芝諾悖論。芝諾悖論提出：一個飛行中的箭矢在任意一個時刻都是靜止在空中的，所以它不可能處於運動狀態。類比於經典芝諾悖論的該量子效應在1977年由George Sudarshan和Baidyanath Misra在一篇文章中提出。[1]
描述
不穩定的量子系統在短時間內的表現有可能會不同於指數衰減。[2][3] 這種現象就會使得在非指數衰減期間的高頻率觀測將可以抑制系統的衰減，也就是量子芝諾效應。另外，也有研究指出，過高頻率的觀測也可以導致系統衰減的加速。[4]
量子力學中，所謂的「觀測」將產生經典力學的物理量。高頻率的觀測會減緩系統的躍遷。這種躍遷可以是指粒子從一個半空間到另一個（例如原子反射鏡或者原子德布羅意顯微鏡[5]），也可以是波導中光子從一種橫向模態到另外一種，或者是原子中系統從一個量子態轉化到另外一個。
這種躍遷也可以是量子計算機中，系統從一個沒有量子比特退相干損失的子空間，變成有一個量子比特損失的過程。[6][7] 這種情況下，通過判斷退相干過程是否發生就可以進行對量子比特的糾錯。
這些過程都可以被認為是量子芝諾效應的應用。一般來講，這種效應通常只發生在量子態可分辨的的量子系統中，也就是說一般不能在經典或宏觀過程中發生。
不同的實現方法和一般的定義
對量子系統進行周期性的觀測
我們考慮一個二能級量子系統處於一個量子態A，該量子態是某個測量算符的本徵態。隨着時間的演化，該系統將以一個確定的概率衰退到量子態B。 如果我們對該系統進行周期性的觀測，每次觀測間隔一個有限的間隔。那麼每次觀測將使得波函數坍縮到測量算符的一個本徵態。 在相鄰兩次的觀測中間，系統將從本徵態演化為兩個本徵態的疊加。當我們再次觀測疊加態時，它將坍縮到其中一個本徵態。 但是，如果系統演化的時間足夠短，那麼疊加態波函數坍縮變成另一個本徵態的概率將正比於。 因此，如果相鄰兩次觀測的時間間隔趨近於0，則系統躍遷到量子態B的概率也將為0。
根據量子退相干理論，波函數的坍縮並不是一個瞬時的過程。一次觀測過程等同於將量子系統與周圍的環境進行短時間的強烈耦合過程，持續的耦合過程等同於觀測。 波函數坍縮所需要的時間依賴於量子系統與環境耦合退相干所需要的時間。耦合越強，退相干時間越短，那麼波函數坍縮的就越快。 在退相干的繪景中，一個完美的量子芝諾效應實現方法是，讓量子系統持續的與無限雜亂的環境進行無限大強度的耦合。
實驗和討論
實驗上，通過使量子系統與環境的耦合，以抑制量子系統的演化，在多種微觀系統中已經被觀測到。
1989年，戴維·瓦恩蘭和他在NIST的研究小組觀測到了二能級系統中的量子芝諾效應。[8] 約5000個9Be+離子被存儲於圓柱形的Penning trap中，並且使用激光冷卻致250 mK以下。 實驗使用了共振的射頻(RF)來驅動這個系統，在沒有其他激光的影響下，它可以將全部粒子激發到激發態。 當啟動了射頻之後，實驗進行了對激發態自發輻射光子的監控，以判斷有多少離子處於激發態。 在射頻過程中，離子阱被周期性施加的紫外脈衝「觀測」。 實驗結果與理論模型符合很好，施加的紫外脈衝抑制了量子系統向激發態的演化。 另一篇近期的期刊也描述了該方面的後續結果。[9]
量子芝諾效應也被應用於SERF，和鳥類的磁致導航系統(Magnetoreception)。[10]
現在，根據海森堡不確定原理，人們並不確定超高頻率和超短時間的觀測的極限到底是多少。有研究顯示，有限頻率的觀測可以獲得任意強度的芝諾效應。[11] 2006年，Streed 與合作者在MIT觀測到芝諾效應也依賴於測量脈衝的具體性質。[12]
這些「芝諾效應」的實驗解釋有助於理解這一類現象發生的原因，但是這些理論解釋並沒有帶來薛定諤方程所不能描述的新的量子物理特性。[13][14]
有時，超高頻率的「芝諾效應」實驗觀測，並沒有得到理想的實驗結果。[5]
參考文獻
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