科技日報記者 吳長鋒

最近幾天，我國量子計算機“九章”處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級計算機快100萬億倍的新聞刷屏。

雖然生活中、新聞里經(jīng)常會聽到量子力學這個詞，但很多人到現(xiàn)在都不清楚量子力學究竟是一門怎樣的學問。

量子不是一個實體

一聽量子，很多人會以為它跟電子一樣是一個實體。其實，這個理解是錯的。

量子這個概念最早由德國物理學家普朗克提出。1900年，普朗克在研究“黑體輻射”的時候，提出一個假說：能量的傳輸不是連續(xù)的，而是“一份一份”的。普朗克把這一份一份的能量稱為“能量子”，也被人們稱為“量子”。

這在當時是一個顛覆性的概念，因為在經(jīng)典物理學里，人們一直認為能量的傳輸是連續(xù)的，不存在最小單位。由于這個假說太過于“叛逆”，簡直顛覆了整個經(jīng)典物理學，所以在該假設提出之后的10余年里，普朗克一直試圖尋找各種方法來解釋輻射能量的不連續(xù)性現(xiàn)象，但最終歸于失敗。

1905年，愛因斯坦在普朗克研究的基礎上，認為光的傳播也是“一份一份”的，并且愛因斯坦給出了極其充分的數(shù)學證明，證明存在所謂的“光量子”。

在此之前光作為一種波，已經(jīng)被人們廣為接受。在新的理論面前，光的波動說與微粒說之爭以“光具有波粒二象性”的結論落下了帷幕。而后人們發(fā)現(xiàn)，不單單能量和光存在這種量子性，包括電子等其他微觀粒子，也存在這種“量子性”。

量子力學最早就是研究為什么微觀粒子會呈現(xiàn)這種“既是波，又是粒子”的神奇現(xiàn)象。

量子力學就在我們身邊

那么，有人會問：研究量子力學到底有什么用呢？其實你正從中受益。比如，生活中你每天都離不開的電腦，它的出現(xiàn)首先要感謝的就是量子力學。正是得益于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·塞茨才能在1930年發(fā)現(xiàn)半導體的性質(zhì)——可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，以控制管中電流的導通或阻斷，利用這個原理便能實現(xiàn)信息編碼，可以編寫一種1和0的語言來操作它們。

可以說整個半導體產(chǎn)業(yè)，基本都是在量子力學基礎上才得以構建的，如果沒有量子力學就不會有芯片、計算機，乃至我們當前五花八門的電子產(chǎn)品。現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)所代表的信息科技，包括原子鐘、人工智能、5G、LED等都跟量子力學脫不了關系，同時現(xiàn)代醫(yī)學的大多數(shù)成像工具和分析方法，如自旋磁共振、電子隧道顯微鏡等，基本也都是在量子力學的基礎上才得以實現(xiàn)的。

展望未來，如果通用量子計算機得到了廣泛應用，那么整個社會方方面面都會受到影響。

中科院院士、中國科學技術大學郭光燦教授接受媒體采訪時表示，醫(yī)療方面，我們生產(chǎn)新藥物的速度會大大提高，這是因為新藥制造需要計算機模擬哪個配方是最有效的，使用電子計算機模擬非常慢，但量子計算機很快就能計算出來；人工智能方面，無人駕駛汽車傳感器處理的速度如果使用量子技術的話反應能力就更快，性能就會提高；農(nóng)業(yè)方面，量子計算機出來后，可以研究清楚光合作用是怎么回事，有科學家預言，如果這個應用研究成功了，太陽能的利用會從現(xiàn)有的10%提高到20%—30%，農(nóng)業(yè)會出現(xiàn)跳躍式發(fā)展。

對量子力學的多種詮釋

雖然量子力學幾乎構成了當前包圍我們生活的各式各樣電子產(chǎn)品的基礎科學理論。但量子力學對于人類來說，仍然是一個巨大的“黑箱”。

用我們?nèi)粘５难酃鈦砜?#xff0c;量子物理學中的一些現(xiàn)象看起來“毫無章法”，有的似乎完全說不通。物理學家也不喜歡這種感覺。所以他們就基于客觀存在的現(xiàn)象規(guī)律，通過數(shù)學工具提出了一些解釋，來詮釋這些現(xiàn)象，試圖讓量子物理能“說得通”。但是由于我們并不知道這些量子現(xiàn)象背后的原理，因此這些詮釋就有點像盲人摸象——對一個事物的描述存在多個版本，且都有缺陷。

量子力學告訴我們不能再用位置這樣的物理量來描述電子、質(zhì)子這些粒子。例如，電子沒有固定的位置。取而代之，我們用它們可能處于的位置來描述它們。為了表示電子處于某個位置的概率，物理學家引入了一個叫做波函數(shù)的數(shù)學工具。電子的每一個可能的位置都被稱為一個狀態(tài)，波函數(shù)給出了電子處于任何一種狀態(tài)的概率。

《科技日報》 (2020-12-14)

總結

以上是生活随笔為你收集整理的我们能做出量子计算机却至今摸不透量子力学,【科技日报】我们能做出量子计算机，却至今摸不透量子力学...的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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