量子力學在現(xiàn)實中的十大應用之歐陽育創(chuàng)編

歐陽育創(chuàng)編

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數(shù)年，人類一直依靠生的直來識自然界運行的理。雖然種式讓我們在很多面誤入歧，如，曾一度堅信球是平的但總體上來說，我所得到的理知識，遠遠大過誤。正是這雖緩慢、成效卻分積極的累程中，人們逐漸索總結出運定律、熱力學原等知識自所處的世界才變不再那么秘于是，直覺的價，更加得肯。但這一切，截到量子力的現(xiàn)。時間：2021.02.04

創(chuàng)作：歐陽育歐陽育創(chuàng)編

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這是被愛因斯坦和玻爾用“帝跟宇宙玩擲骰子”形容的學科，也是研究“度微觀領域物質(zhì)”物理學分支，它帶來了許許多多令人震驚不已的結論——科學家們發(fā)現(xiàn)，電子的行為同時帶有波和粒子的雙重特征（波粒二象性），但僅僅是加入了人類的觀察活動，就足以立刻改變它們的特性；此外還有相隔千里的粒子可以瞬間聯(lián)系（量子糾纏）：不確定的光子可以同時去向兩個方向（海森堡測不準原理）；更別提那只理論假設的貓既死了又活著（薛定諤的貓）……諸如以上，這些研究結果往往是顛覆性的，因為它們基本與人們習慣的邏輯思維相違背。以至于愛因斯坦不得不感嘆道：“子力學越是取得成功，它自身就越顯得荒誕?！钡浆F(xiàn)在，與一個世紀之前人類剛剛涉足量子領域的時候相比，愛因斯坦的觀點似乎得到了更為廣泛的共鳴。量子力學越是在數(shù)理上不斷得到完美評分，就越顯得我們的本能直覺竟如此粗陋不堪。人們不得不承認，雖然它依然看起來奇異而陌生，但量子力學在過去的一百年里，已經(jīng)為人類帶來了太多革命性的發(fā)明創(chuàng)造。正像詹姆斯卡卡廖斯在《量子力學的奇妙故事》一書的引言中所述：“子力學在哪？你不正沉浸于其中嗎?！蹦吧牧孔?，不陌生的晶體管歐陽育創(chuàng)編

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美國《探索》雜志在線版給出的真實世界中量子力學的一大應用，就是人們早已不陌生的晶體管。1945年秋天，美國軍方成功制造出世界上第一臺真空管計算機ENIAC。當時的記載，這臺龐然大物總重量超0噸占地面積接近一個小型住宅，總花費高達1萬元。如此巨額的投入，注定了真空管這種能源和空間消耗大戶，在計算機的發(fā)展史中只能是一個過客。因為彼時，貝爾實驗室的科學家們已在加緊研制足以替代真空管的新發(fā)明——晶體管。晶體管的優(yōu)勢在于它能夠同時扮演電子信號放大器和轉換器的角色。這幾乎是所有現(xiàn)代電子設備最基本的功能需求。但晶體管的出現(xiàn)，首先必須要感謝的就是量子力學。正是在量子力學基礎研究領域獲得的突破，斯坦福大學的研究者尤金瓦格納及其學生弗里德里希塞茨得以在930年發(fā)現(xiàn)半導體的性質(zhì)——同時作為導體和絕緣體而存在。在晶體管上加電壓能實現(xiàn)門的功能，控制管中電流的導通或者截止，利用這個原理便能實現(xiàn)信息編碼，以至于編寫一種1和0的語言來操作它們。此后的年，貝爾實驗室的科學家制作和改良了世界首枚晶體管。1954年，美國軍方成功制造出世界首臺晶體管計算機。與之前動輒樓房般臃腫的不靠譜的真空管計算機前輩們相比，TRIDAC有3立英尺大，功率不瓦今歐陽育創(chuàng)編

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天，英特爾和AMD的尖芯片上，已經(jīng)能夠擺放數(shù)十億個微處理器。而這一切都必須歸功于量子力學。量子干涉“定”量回收無論怎樣心懷尊敬，對于我們來說，都不太容易能把量子力學代表的理論和它帶來的成果聯(lián)系在一起，因為他們聽起來就是完全不相干的兩件事。而“量回收”是個例子。每次駕車出行，人們都會不可避免地做一件負面的事情——浪費能量。因為在發(fā)動機點燃燃料以產(chǎn)生推動車身前進的驅動力同時，相當一部分能量以熱量的形式散失，或者直白地說，浪費在空氣當中。對于這種情況，美國亞利桑那大學的研究人員試圖借助量子力學中的量子干涉原理來解決這一問題。量子干涉描述了同一個量子系統(tǒng)若干個不同態(tài)疊加成一個純態(tài)的情況，這聽起來讓人完全不知所謂，但研究人員利用它研制了一種分子溫差電材料，能夠有效地將熱量轉化為電能。更重要的是，這種材料的厚度僅僅只有百萬分之一英尺，在其發(fā)揮功效時，不需要再額外安裝其他外部運動部件，也不會產(chǎn)生任何污染。研究團隊表示，如果用這種材料將汽車的排氣系統(tǒng)包裹起來的話，車輛因此將獲得足以點亮2只1燈泡的電能——盡管理論讓人茫然，但這數(shù)字該團隊因此對新型材料的前途充滿信心，確定在其他存在熱量損失的領域，該材料同樣歐陽育創(chuàng)編

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能夠發(fā)揮作用，將熱能轉變?yōu)殡娔?，比如光伏太陽能板。而我們只需知道，這都是量子干涉“定”。不確定的量子，極其確定的時鐘作為普通人，一般是不會介意自己的手表快了半分鐘，還是慢了十幾秒。但是，如果是像美國海軍氣象天文臺那樣為一個國家的時間負責，那么這半分半秒的誤差都是不被允許的。好在這些重要的組織單位都能夠依靠原子鐘來保持時間的精準無誤。這些原子鐘比之前所有存在過的鐘表都要精確。其中最強悍的是一臺銫原子鐘，能夠在2000萬之后，依然保持誤差不超過秒?？吹竭@種精確的能讓人紊亂的鐘表后，你也許會疑惑難道真的有什么人或者什么場合會用到它們？答案是肯定的，確實有人需要。比如航天工程師在計算宇宙飛船的飛行軌跡時，必須清楚地了解目的地的位置。不管是恒星還是小行星，它們都時刻處在運動當中。同時距離也是必須考慮的因素。一旦將來我們飛出了所在星系的范圍，留給誤差的邊際范圍將會越來越小。那么，量子力學又與這些有什么關系呢？對于這些極度精準的原子鐘來說，導致誤差產(chǎn)生的最大敵人，是量子噪聲。它們能夠消減原子鐘測量原子振動的能力?，F(xiàn)在，來自德國大學的歐陽育創(chuàng)編

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兩位研究人員已經(jīng)開發(fā)出，通過調(diào)整銫原子的能量層級來抑制量子噪聲程度的方法。它們目前正在試圖將這一方法應用到所有原子鐘上去。畢竟科技越發(fā)達，對準時的要求就越高。量子密碼之戰(zhàn)無不勝斯巴達人一向以戰(zhàn)斗中的勇敢與兇猛聞名于世，但是人們并不能因此而輕視他們在謀略方面的才干。為了防止敵人事先得知自己的軍事行動，斯巴達人使用一種被稱作密碼棒的東西來為機密信息加密和解密。他們先將一張羊皮紙裹在一根柱狀物上，然后在上面書寫信息，最后再將羊皮紙取下。借助這種方式，斯巴達的軍官能夠發(fā)出一條敵人看起來語無倫次的命令。而己方人員只需再次將羊皮紙裹在同等尺寸的柱狀物上，就能夠閱讀真正的命令。斯巴達人樸素的技巧，僅僅是密碼學漫長歷史的開端。如今，依靠微觀物質(zhì)一些奇異特性的量子密碼學，已經(jīng)公開宣稱自己無解。它是一種利用量子糾纏效應、基于單光子偏振態(tài)的全新信息傳輸方式。其安全之處在于，每當有人闖入傳輸網(wǎng)絡，光子束就會出現(xiàn)紊亂，每個結點的探測器就會指出錯誤等級的增加，從而發(fā)出受襲警報；發(fā)送與接收雙方也會隨機選取鍵值的子集進行比較，全部匹配才認為沒有人竊聽。換句話說，黑客無法闖入一個量子系統(tǒng)同時不留下干擾痕跡，因為僅歐陽育創(chuàng)編

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僅嘗試解碼這一舉動，就會導致量子密碼系統(tǒng)改變自己的狀態(tài)。相應的，即便有黑客成功攔截獲得了一組密碼信息的解碼鑰匙，那他在完成這一舉動的同一時刻，也導致了密鑰的變化。因而當合法的信息接收者檢查鑰匙時，就會輕易發(fā)現(xiàn)端倪，進而更換新的密鑰。量子密碼的出現(xiàn)一直被視為“對安全”回歸，不過，天下沒有不透風的墻。擁有1000多前那部維京時代海盜史的挪威人，已經(jīng)打破了量子密碼無解的神話。借助誤導讀取密碼信息的設備，他們在不嘗試解碼的條件下，就獲得了信息。但他們承認，這只是利用了現(xiàn)存技術隨機數(shù)發(fā)生器：上帝的“子骰子”所謂的隨機數(shù)發(fā)生器，并不是老派肥皂劇中那些奇幻神秘的玩意。它們借助量子力學，能夠召喚出真正的隨機數(shù)。不過，科學家們?yōu)槭裁匆晦o勞苦地深入量子世界來尋找隨機數(shù)，而不是簡單輕松地拋下硬幣、擲個骰子？答案在于：真正的隨機性只存在于量子層級。實際上只要科學家們收集到關于擲骰子的足夠信息，那么他們便能夠提前對結果做出預測。這對于輪盤賭博、彩票甚至計算機得出的開獎結果等等，統(tǒng)統(tǒng)有效。然而，在量子世界，所有的一切都是絕對無法預測的。馬克斯普朗克大學光學物理研究所的研究人員正是借助這一不可預歐陽育創(chuàng)編

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知性，制作出了“子骰子”他們先是通過在真空中制造波動來產(chǎn)生出量子噪聲，然后測量噪聲所產(chǎn)生的隨機層級，借此獲得可以用于信息加密、天氣預演等工作的真正隨機數(shù)字。值得一提的是，這種骰子被安裝在固態(tài)芯片上，能夠勝任多種不同的使用需求。我們與激光險些失之交臂與量子力學的經(jīng)歷相似，激光在早期曾經(jīng)也被認為是“論上的巨人，實際應用上的侏儒”但今天，無論是家用放器，還是“彈防御系統(tǒng)”激光已經(jīng)在當代人類的社會生活中，占據(jù)了核心地位。不過，如果不是量子力學，我們與激光的故事，很可能是以“身而過”收場。激光器的原理，是先沖擊圍繞原子旋轉的電子，令其在重回低能量級別時迸發(fā)出光子。這些光子隨后又會引發(fā)周圍的原子發(fā)生同樣的變化，即發(fā)射出光子。最終，在激光器的引導下，這些光子形成穩(wěn)定的集中束流，即我們所看到的激光。當然，人們能夠知曉這些，離不開理論物理學家馬克斯普朗克及其發(fā)現(xiàn)的量子力學原理。普朗克指出，原子的能量級別不是連續(xù)的，而是分散、不連貫的。當原子發(fā)射出能量時，是以在離散值上被稱作量子的最小基本單位進行的。激光器工作的原理，實際上就是激發(fā)一個特定量子散發(fā)能量。歐陽育創(chuàng)編

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專門挑戰(zhàn)極端的超精密溫度計如果用普通的醫(yī)用溫度計，去測量比絕對零度低百分之一的溫度，這支溫度計的下場可想而知。那么如何去對付這樣的極端溫度呢？耶魯大學的研究人員發(fā)明了一支可以對付這些情況的神奇溫度計。它不僅能在極端環(huán)境中保持堅挺，更能夠提供無比精確的數(shù)值。為制作這種溫度計，研究團隊必須重新梳理溫度計的設計思路。比如獲得精確數(shù)值的方式。幸運的是，在追尋精確的過程中，科學家們借助量子隧道得到了自己想要的答案。就像鉆入山體內(nèi)部而不是在其表面爬上爬下，粒子在穿越勢壘的過程中，產(chǎn)生出了量子噪聲。使用研究團隊的量子溫度計去測量這些噪聲，便能夠精確地得出實驗物體的溫度。雖然這種溫度計對于普通人的日常生活并沒有太大的意義，但是在科學實驗室，尤其是那些需要極低溫度環(huán)境的材料實驗室它就可以大展身手了?，F(xiàn)在，研究者們還在努力通過各種手段提高該溫度計的精確性，并期望隨著它應用范圍的拓展，更極端的科研環(huán)境都可以從中受益。人人都愛量子計算機在965年表的一篇論文中，英特爾公司的聯(lián)合創(chuàng)始人戈歐陽育創(chuàng)編

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登摩爾對計算機技術的未來發(fā)展，做了一些粗陋但卻意義深遠的預測。其中最重要的一條便是日后著名的摩爾定律：每平方英尺集成電路上晶體管的數(shù)量，每1月便會翻兩倍。這一定律對計算機技術的發(fā)展產(chǎn)生了深遠影響，但是現(xiàn)在，摩爾定律似乎走到了盡頭，因為到2020年硅芯片將會達到自身的物理極限，而隨著晶體管體積的不斷縮小，它們將開始遵循量子世界的各種規(guī)律。和量子世界的規(guī)律“有敵意”比，順應量子時代或許才是人們最好的選擇。今天，那些從事量子計算機研究的科學家做的正是這件事情。相比傳統(tǒng)計算機，量子計算機具有無可比擬的巨大優(yōu)勢：并行處理。借助并行處理的能力，量子計算機能夠同時處理多重任務，而不是像傳統(tǒng)計算機那樣還要分出輕重緩急。量子計算機的這一特性，注定它在未來將以指數(shù)級的速度超越傳統(tǒng)計算機。不過，在量子計算成為現(xiàn)實之前，科學家們還需要克服一些艱難挑戰(zhàn)。比如，量子計算機使用的是比傳統(tǒng)比特存儲能力高出許多的量子比特，但是不幸的是，量子比特非常難以創(chuàng)造出來，因為這需要多種粒子共同組成網(wǎng)絡。直到現(xiàn)在，科學家只能夠一次性將種子纏連起來。而量子計算機若要實現(xiàn)商業(yè)化應用，至少需要將這個數(shù)字增加數(shù)十倍甚至上百倍。歐陽育創(chuàng)編

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想知道什么是真正的瞬時通信嗎量子力學在過去的歲月里為人們帶來的成就彌足珍貴，但科學家們有理由相信，其在未來會奉獻的更多?，F(xiàn)在，當你在手機、短信、郵件以及、飛信等等諸如此類的通信工具之間徜徉時，可能以為自己已經(jīng)被所謂的“時通信”蓋。實際上，你發(fā)出的聲音、文字、圖像都需要一點時間才能達到目的地，或長或短而已。現(xiàn)在的人們?nèi)粘Ｋ苡玫降耐ㄐ欧绞?，所需時間都極其短，但在很遠的未來，人和人之間的交流不會只限于大洲與大洲之間，而可能需要橫跨星系，這就使通信時間大大的增加——譬如說，在今年8月6日，“好奇”火星車登陸火星，傳回的信號到達地球就有十幾分鐘的延遲。但這還只是在太陽系中地球和火星的距離，如果將距離延伸的更遠，那么科學家們認為，只有量子力學才有能力真正實現(xiàn)“時”通信，無論距離多遠。使瞬時通信成為現(xiàn)實的關鍵，在于被稱為量子糾纏的量子力學現(xiàn)象——愛因斯坦稱其為“靈般的遠距作用”指處于糾纏態(tài)的兩個粒子即使距離遙遠，也保持著特別的關聯(lián)性，對一個粒子的操作會影響到另一個粒子。簡單來說就是，當其中一個粒子被測量或者觀測到，另一個粒子也隨之在瞬間發(fā)生相應的狀態(tài)改變。這種仿佛“電感應”的一致行動，已超出了經(jīng)典歐陽育創(chuàng)編

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物理學規(guī)則的解釋范疇，因此才被愛因斯坦視作鬼魅。但利用量子糾纏，我們可以操縱其中一個粒子引起對應粒子的即時、相應變化，從而完成收發(fā)“宙郵件”動作。不過，這一應用還面臨著最大的問題：一些物理學家堅持認為糾纏的粒子實際上并不能傳送信息。如果是這樣的情況，那我們的名單中的下一個項目，則永遠不會成為現(xiàn)實。遠距傳輸從科幻到現(xiàn)實科幻片，尤其是太空題材的，最愛遠距傳輸：偌大的