量子物理学的奇怪原理如何促进技术革命

人们普遍认为，量子力学革命始于 20 世纪之交，当时马克斯·普朗克解决了黑体辐射难题，并引入了量子化能级或量子的概念。

黑体是一个理想的物理系统——表面或空腔——吸收落在其上的所有辐射能。在热平衡时，黑体发出的辐射仅由其温度决定。由于经典物理学未能将实验结果概念化为一致的理论，普朗克使用了一种没有明显物理证据的策略来解释观察到的黑体光谱并绕过所谓的紫外线灾难。1虽然仍然将辐射视为与腔壁交换能量的电磁波，但普朗克假设腔壁辐射源自振荡器，例如在腔壁内以特定频率振动的原子或分子，并且它们的振荡只能呈现离散的能量值。

换句话说，被捕获在腔壁内部的辐射只能以离散的步骤与腔壁交换能量。能级可以表示为En = nhf，其中h是普朗克常数，f是辐射频率，n是整数。两个连续的量子态由 D E = hf分隔，相当于电磁场载体光子发射或吸收的能量。因此，普朗克能够推导出一个与实验数据相匹配的公式。

这一开创性的想法随后被一群杰出的物理学家——包括爱因斯坦、玻尔、海森堡、薛定谔、狄拉克、费米、德布罗意和费曼——所扩展，他们集体从根本上彻底改变了我们对现实的理解。

另一场革命正在进行，利用量子力学原理来解决当今计算机和检测仪器无法解决的棘手问题。

自旋和量子位

诸如电子之类的粒子除了空间坐标之外还具有一些属性。与电子相关的是一个额外的自由度，称为自旋。自旋是角动量的一种内在形式，也由质子、中子、原子和原子核携带。与经典角动量不同，自旋是一种量子特性，不对应于任何物理旋转运动。即使它被过于简单地想象为指向某个方向的箭头，当量子自旋与携带它的电子隔离时，它本身就是一个量子系统。

自旋可以被认为是称为量子位(qubit)的一类基本系统的一个例子，它在量子世界中扮演着与逻辑位在定义计算机状态中相同的角色。就像经典位一样，量子位必须拥有两种不同的状态：0 和 1。但有一个很大的区别，即量子位可以存在于叠加态，甚至与其他量子位纠缠在一起。利用叠加和其他量子现象的可能性使量子位从根本上不同于它们的经典对应物，并且比它们的经典对应物更强大。

量子位和量子效应

在量子世界中，粒子不具有像经典粒子那样明确定义的状态，其状态可以通过位置和速度(或动量)等可测量值明确地识别。在测量之前，量子系统“存在”于所有可能状态的叠加中，引入扰动，使系统崩溃到其中一种状态。这称为退相干。

叠加的概念可以通过与宏观系统的类比来轻松理解：一枚硬币被抛向空中后落在地板上，要么正面(H，状态 1)，要么正面反面(T，状态 2)。只要硬币在旋转，它就处于H和T的叠加状态。只有当硬币停止旋转时，它才会达到这两种状态之一。这一特性可以解释为什么量子计算机 (QC) 的速度比数字计算机快得多。传统的数字计算机以 2 位状态运行：0 和 1。因此，4 位计算机寄存器可以保存 2 4或 16 个可能数字中的任何一个。相比之下，一个量子位存在于 0 和 1 值的叠加中，这意味着 4 量子位计算机寄存器可以同时处理 16 个数字。

QC 可以并行处理更多数量的值，因此 30 量子位 QC 可以与每秒执行 10 万亿 (10 × 10 12 ) 次浮点运算的数字计算机相媲美，这一速度与当今的计算机相匹配。快速数字超级计算机。2世界上第一个超过 1,000 个量子位(1,180 个量子位)的 QC 由初创公司 AtomComputing 开发(图 1)，其性能是之前有记录的模型的两倍多： IBM 的 Osprey 机器，该机器“仅”有 433 个量子位。

更多的量子位并不总能转化为更好的性能，因为与当今充满噪音的研发模型不同，未来的无差错质量控制需要大量的量子位。为了匹配这些机器的非凡计算能力，经典数字计算机需要的位数远远超过可见宇宙中的原子数。与 IBM 和谷歌使用冷却至低温的超导线不同，AtomComputing 的破纪录机器使用由激光捕获在二维网格中的中性原子。

纠缠是另一种基本的量子特性，两个或多个量子位变得如此紧密相关，以至于测量一个量子位的状态将自动揭示其伙伴的状态，无论它们相距多远。这种相互依赖性(用爱因斯坦的话来说，就是“幽灵般的远距离作用”)允许纠缠量子位之间进行非局部、即时的信息共享，从而允许 QC 在一次操作中操纵许多量子位，而不是单独对每个量子位进行操作。纠缠编码信息的方式是现代密码学的基础。可以建立更安全的传输网络来避免窃听，因为在发送者和接收者未确认的情况下，未经授权的各方无法复制量子状态(称为不可克隆定理)。

当两个或多个量子态组合形成新态时，就会发生干扰，可能是建设性的，也可能是破坏性的。利用相长干扰增加获得正确输出的概率和相消干扰降低错误结果概率的事实，QC 可以快速探索潜在的解决方案，比传统同行更快地收敛到正确答案。

量子计算和量子传感

电子等费米子的自旋要么是 1/2(上态，或“u”)，要么是 –1/2(下态，或“d”)。叠加原理断言这样的量子位可以同时由 u 和 d 的线性“组合”表示。在狄拉克引入的优雅符号中，如果 |ψ ñ 标识量子位的状态，并且 |u ñ和 |d ñ分别编码向上和向下状态(称为基向量)，则可以表示为：

|ψ > = a 0 |u > + a 1 |d >，其中 a 0和 a 1表示 |u >和|的相对权重。d >在叠加中。一般来说，这些数字是量子位的复 概率幅度 ，并确定在测量量子位状态时使自旋向上或向下的概率。当然，它们必须遵守归一化条件： |a 0 | 2 + |a 1 | 2 = 1。当 a 0 = 1 且 a 1 = 0 时，量子位位于其 |u 中>状态。如果 a 0 = 0 且 a 1 = 1，则量子位状态对应于自旋向下。对于0 和1的任何其他值，自旋既不是向上也不是向下，而是同时向上和向下。

将数据编码为量子位后，需要修改和操纵量子位的状态以实现量子计算机或量子传感器。量子传感器由于其高灵敏度，在应用物理和科学领域(例如磁场检测、引力波检测、电信和生物学)优于传统传感设备。

在数字计算机中，位操作是通过 AND、OR、NAND 和 NOR 等逻辑门执行的基本运算来完成的。量子计算机中的相应操作是由量子门执行的，量子门可以“控制”纠缠和叠加，这是提高量子计算机计算能力的基本特性。