文章发表于2025-05-15 09:31:37，归属【科技前沿】分类，已有55人阅读
好莱坞的制片人凭借令人费解的计算机生成图像，一次次地将我们带入他们创造的平行现实宇宙。但量子力学所包含的内容远比我们在大银幕上看到的要多。
电影《瞬息全宇宙》就是了解多元宇宙的绝佳例子。然而，“量子” 对我们这些普通人来说，也可能是一个包罗万象、难以理解的术语。就像《飞出个未来》里的法恩斯沃思教授，他煞有介事地指责自己在赌马中失利是因为比赛结果被通过量子测量操纵了。
为了让复杂的量子知识变得通俗易懂，我们的量子物理学家总结出了关于量子的 10 件应该了解的事。
让我们来剖析一下，好吗？
量子力学是物理学的一个分支，它研究的是物质和能量在最小尺度下的行为。它描述了构成我们物质世界的粒子（如电子、光子和原子）的属性。量子力学可能看起来像是科学家和物理学家专属的抽象概念，但实际上，它对我们的日常生活有着深远的影响。
量子力学最广为人知的应用领域之一是电子学。晶体管的发明依赖于量子力学原理，而晶体管是所有现代电子产品的基础。此外，量子力学还是量子计算的基础。量子计算这项技术有望彻底革新计算能力，并解决一些世界上最复杂的问题。
量子力学在医学和生物学领域也起着重要作用。磁共振成像（MRI）机器利用量子力学原理生成人体内部结构的详细图像，它已成为医学诊断的重要工具。理解亚原子粒子的行为有助于科学家更好地了解支配人体的基本过程，比如蛋白质折叠和相互作用的方式。
现在，让我们来看这份清单：
1. 《剑桥词典》将 “量子” 定义为 “某物的最小数量或单位，尤其是能量”。
2. 量子物体非常小，经典力学无法精确描述它们的行为。这些物体包括原子、原子离子，以及像电子和光子这样的亚原子粒子。
3. 量子物理学是对这些量子物体的科学研究。
4. 量子力学是描述这些量子物体行为的一系列规则。
5. 量子行为非常不直观，与我们在日常宏观尺度下所看到的现象不同。但事实上，量子力学能够很好地描述量子行为。
6. 理解量子物体的行为为我们打开了一个全新的技术可能性领域。
7. 量子计算机利用了我们对上述量子行为的理解。它们能让我们提出一个问题并得到一个复杂的答案。使用经典计算机（如今使用二进制的 “普通” 计算机），我们得到的是简单的 “是” 或 “否” 的答案。而借助量子，由于量子叠加原理，我们得到的是一个基于概率的 “可能” 的答案。这听起来可能没什么用，但通过正确的提问方式，量子计算机可以排除错误答案，同时放大正确答案。
8. 量子计算机在某些计算问题上表现卓越，但对于其他问题，经典计算机仍然是最优选择。例如，像将大数字分解为质因数这样的复杂数学问题。如今许多数字加密算法都基于一个前提，即经典计算机几乎无法进行质因数分解。质因数分解是找出哪些质数组合相乘可以得到目标数字的过程。因此，对量子计算机的一个主要担忧是，它们可能相对容易地破解常见的加密方案。经典计算机不太适合对高度复杂的系统进行优化。例如，在交通网络中，计算出一个好的解决方案所需的时间比系统变化的时间要长得多。人们预计量子计算机将极大地提高计算速度，实现实时优化。
9. 量子态非常脆弱，很容易受到外部因素（如磁场和电场）的影响。人们可以利用这一点来制造控制和利用这些相互作用的设备，从而创造出超灵敏探测器。一个著名的例子是医生用来测量大脑中微小电信号的磁传感器。
10. 量子通信利用量子物体的量子态来存储和传输信息。它非常安全，因为如果有人截获信息，量子态就会崩溃，这对发送者和接收者来说都是显而易见的。
以下是一些关键定义：
叠加态是指具有两种状态（例如上和下、开和关）的量子物体实际上可以同时处于这两种状态。当观察量子物体时，它会立即呈现出其中一种状态。
纠缠是指两个或多个量子物体相互依存。不参考另一个物体就无法描述一个物体，并且对一个物体的操作会影响另一个物体的属性或使其属性可知。
隧穿是指量子物体能够穿过一个大多数时候它没有足够能量跨越的能量势垒。然而，由于量子力学的概率性质，它有时确实能穿过势垒。
那么接下来会怎样呢？
虽然我们仍处于量子技术能力的早期阶段，但其中蕴含的可能性已经日益明显。量子应用将使科学家和研究人员能够：
1. 加速医疗领域的药物研发和材料开发。
2. 加强国家安全并为国防提供支持。
3. 促进采矿等行业更高效的矿产勘探和水资源管理。
4. 改善太空等行业的安全通信。