摘要：接下来要讨论的内容或观点可能会朝这个方向发展。虽然我们已经理解的量子力学的基本原理（叠加原理、量子纠缠、量子态的测量、不确定性原理、量子隧穿效应等）足以开始构建量子计算机，但随着我们推进理解的边界，可能会发现新的原则或限制，使量子计算变得不可能或不切实际。但这
没有人理解量子物理。 — 理查德·费曼
这句名言耳熟能详，不过，老实说，关于量子的精彩评论太多了：
那些第一次接触量子力学时不感到震惊的人，肯定不可能理解它。— 尼尔斯·玻尔
量子力学完全没有意义。— 罗杰·彭罗斯
如果它是正确的，那将意味着物理学作为一门科学的终结。 — 阿尔伯特·爱因斯坦
我不喜欢它，对曾经参与其中感到很遗憾。— 埃尔温·薛定谔
但没有人会根据一群已逝的人所不理解的东西来指导他们的哲学态度和技术预测，对吧？谁会这么做呢？每个人都会这么做！
接下来要讨论的内容或观点可能会朝这个方向发展。虽然我们已经理解的量子力学的基本原理（叠加原理、量子纠缠、量子态的测量、不确定性原理、量子隧穿效应等）足以开始构建量子计算机，但随着我们推进理解的边界，可能会发现新的原则或限制，使量子计算变得不可能或不切实际。但这种想法完全错误。我们对量子物理的理解非常透彻——以至于我们通过对它的理解建立了整个现代社会。
你已经在使用量子技术
不要认为所有关于量子技术的炒作仅仅会引发一场社会革命——因为它已经发生了！每一件现代技术产品都带有量子物理的印记。当理解了这一点，量子计算机似乎就不那么神奇了，它们的不可避免性也变得更加容易接受。所以，让我们来理解它！但首先，有一件重要的事情需要记住。
虽然我们在微观尺度上的精密工程和控制是一种持续改进的过程，但第一代量子技术与包括量子计算机在内的第二代量子技术之间仍然有明显的区别。当我们深入理解了光和物质的精细结构后，科学家们发现了许多新的方法来进一步探索和应用这些知识。尽管这些新方法并不需要在微观层面上直接操纵单个原子或光子，也不需要接触到物质的最基本成分，但它们仍然推动了科学和工程的发展。如今，我们已经能够精确地控制单个原子，这仍然属于量子物理的范畴，但为我们带来了更多的可能性——其中很多潜在的机会我们还没有完全理解。
考虑一个类比。当你烤蛋糕时，你需要使用一系列基本的原料，比如面粉、糖、鸡蛋等。随着我们能够提高这些原料的质量，我们的烹饪成果也从简单的果腹进步到了参与名人烘焙比赛的水平。然而，即使这些原料质量再好，我们最终还是只能将它们混合在一起，形成一个整体的面糊。这就像量子物理帮助我们了解了物质的基本成分，但在实际应用中，我们仍然只能在宏观层面上处理这些大规模的物质，而不能完全操控它们在微观层面的行为。
想象一下，如果我们能够精确地改变每一粒面粉或糖晶体，就像我们现在能够操控单个原子一样，那么名厨戈登·拉姆齐在定制真人秀蛋糕时，可以对蛋糕的质地、味道和外观进行前所未有的调整，这种精度甚至超出了我们对食物的传统认知。通过控制单个原子，我们将能够从头开始设计和制造物质，创造出超乎想象的东西，甚至让那些在经典物理世界中形成的经验变得难以识别或理解。这种精确的操控能力将彻底改变我们对物质和世界的认识。
尽管这开始听起来像是科幻小说，但我们在最基本尺度上操纵世界的能力更好地被视为技术进步的自然演进。但它将从哪里发展呢？让我们来看一些例子。
晶体管
可以说，量子物理最重要的技术成果就是强大的晶体管。如果你现在手里拿着手机，那么你实际上手握着数十亿个微小的电子元件，这些元件构成了手机运作的核心部分。但它们并不总是这么小，这项技术的历史至少与量子理论一样悠久。
在19世纪和20世纪初，物理学家发现硅和其他一些材料具有介于导体和绝缘体之间的电学特性——它们在某些条件下可以导电，而在其他条件下则不能。经典物理学无法解释这种行为，也无法帮助利用这些特性。量子物理提供了理解这些材料所需的理论框架。玻尔原子理论的离散能级推广到了所谓的固体能带理论。与单个原子的电子特定能级不同，块状材料在电子能量的组织方式上存在“能带”和“带隙”。能带理论表明，导体有许多电子可以移动的能级，这使得电流可以轻松流动。另一方面，绝缘体有很大的“带隙”，阻止电子移动。半导体有一个小的带隙，电子在某些条件下可以跨越它。
任何材料的详细能带结构都可以通过求解薛定谔方程推导出来。
这是一项除了极少数特定情况下不可能完成的任务。因此，固态物质量子物理的科学和艺术的大部分内容就在于如何构建有用的近似。事实上，物理学最大的一个分支——凝聚态物理的唯一目的就是为大量原子系统近似量子物理。基本上，任何一个人或公司，如果曾经采购过具有特定属性的产品、组件或原料，至少间接地从量子物理研究中受益。现代晶体管，例如，要求具备一长串特性才能正常工作。
晶体管于1947年由约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿和威廉·肖克利在贝尔实验室发明。虽然与今天的晶体管相比，它依然“很大”，但它仍然只有硬币大小。其目的是放大电信号，以取代笨重且效率较低的真空管。通过在一小块半导体材料表面使用两个紧密间隔的金属接触点，晶体管可以通过利用材料的能带结构特性来调节电流。初次演示后，进展迅速。除了取代真空管作为电路中的必要组件外，晶体管还取代了真空管作为计算机的开关。到1954年，第一台“全晶体管”计算机建成，余下的就如他们所说，是历史了。
激光
激光曾经被称为LASER（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation），但现在它已经如此普遍，以至于它既是名词也是动词。虽然你不想被随意激光照射，但每当你在超市扫描条形码时，你实际上是在利用激光的力量。
激光运作的核心是“受激辐射”现象。这一过程最早由爱因斯坦在1917年描述，利用了量子物理的早期理论。回想一下，原子中的电子处于离散的能级上。当电子改变能级时，它会吸收或发射一个光子。光子的能量正好是这两个能级的差值。当处于高能态的原子随机地降至低能态时，就会发生自发辐射。你所看到的所有光，以及在20世纪之前见过的所有光，都是由于原子随机地改变能级。爱因斯坦提出，一个处于激发态（电子处于高能级）的原子可以被一个与能级差匹配的光子激发，从而使其降至低能级，从而产生两个相同的光子。
尽管有爱因斯坦的理论工作，直到20世纪50年代，科学家们才成功构建了利用受激辐射的装置。第一个装置是查尔斯·汤斯及其同事于1954年在哥伦比亚大学开发的，尽管它还不实用，只能放大微波频率而非可见光。真正的激光首次于1960年由西奥多·H·梅曼在休斯研究实验室演示。顺便说一下，它发出的光是红色的。尽管激光技术非常先进且令人惊叹，但在它刚发明时，人们并不清楚具体的应用场景，因此它曾被形容为“一个还没找到用途的解决方案”。有趣的是，今天大多数激光的应用解决了1960年甚至无人想到的问题。
和晶体管一样，激光也找到了许多用途。今天，激光在医学、电信、制造和娱乐等各种领域都有广泛的应用。它们被用来切割钢材，进行精细的眼科手术，通过光纤电缆传输信息，读取条形码，将音乐和视频刻录到塑料光盘上，并创造出令人叹为观止的灯光秀。没有激光，我们的现代世界无法存在，当激光应用于第二代量子技术时，它将继续为我们带来更多收益。
原子钟
如果你使用GPS（全球定位系统）进行导航，那么你间接使用了原子钟。由于它的名字中包含了“原子”这个词，你就知道它与量子物理有些关系。
原子钟的开发得益于对原子内部量子性质的深入理解。原子中的电子占据离散的能级，并可以通过吸收或发射特定频率的光在这些能级之间跃迁。这对我们来说已经是旧闻了。新的发现是，这些能级可以通过电场和磁场进行操控——否则，单个能级可以被分裂。这种分裂甚至可以来自原子内部产生的电场和磁场——毕竟，电子携带电荷！这种自然分裂虽然微妙，但揭示了所谓的原子的精细结构和超精细结构。20世纪30年代，伊西多·拉比开发了磁共振技术，使得精确测量这些特性成为可能。
由于能级结构是原子的固定属性，它们发射的频率会产生非常精确的“滴答”声，拉比后来建议可以利用原子来定义一个极其稳定的时钟。1949年，美国国家标准局建造了第一台使用氨气的原子钟。但真正彻底改变时间测量的是1955年在英国国家物理实验室开发的铯基原子钟。
铯基原子钟的工作原理是测量铯原子在两个特定能级之间跃迁时的频率。铯原子的最低能级超精细跃迁以每秒9,192,631,770次的频率振荡，这个频率是如此恒定和可靠，以至于在1967年，它被采纳为新的秒定义标准，取代了之前基于地球轨道的标准。我们的时间定义本身就基于量子物理。
这些极其精确的时间计量器被用于各种应用，从同步电信网络（如互联网）到测试爱因斯坦相对论的预测。然而，或许它们最著名的应用是在全球定位系统中。GPS星座中的24颗卫星每颗都携带多个原子钟。这些时钟发送的时间信号中的微小差异，由于它们与接收器的不同距离造成，允许接收器的位置在几米之内进行三角测量。测量距离很难，但由于光速恒定，只要你能准确地测量时间，就可以推断出距离。
原子钟是一个量子技术的典范，它在我们的现代世界中变得不可或缺。无论是支持全球导航还是互联网，原子钟都表明我们正处于量子技术革命之中——至少是第一次。
磁共振成像 (MRI)
磁共振成像，通常称为MRI，是医学领域中一项强大的工具，能够提供体内软组织的详细且无创的图像——这是传统X射线难以做到的。MRI背后的技术植根于量子物理，直接利用了前面提到的与原子钟相关的磁共振原理。
量子物理的一个标志性发现是自旋（spin），即亚原子粒子内部的一种属性，使它们表现得像微小的磁铁。单独来看，自旋的力量非常微弱，当它们周围的其他自旋方向随机排列时，几乎不可能被检测到。然而，在足够强大的磁铁作用下，这些自旋会排列成一个方向，这就是MRI机中巨大的超导线圈磁铁发挥作用的地方。
在MRI中，主要关注的是氢原子的自旋，因为我们体内含有大量的水。当放置在MRI机的强磁场中时，这些自旋会与磁场对齐。随后，施加一个与该磁场垂直的信号，导致这些自旋偏离其对齐状态。当信号移除后，自旋会恢复到其原始的对齐状态，但在此过程中，它们会发出信号。这些信号来自深藏于氢原子内的数十亿微小磁铁的集体松弛，MRI机捕捉到这些信号并将其转换为图像。
由于不同组织的密度和类型导致松弛时间的差异，接收到的信号也会有所不同。这种差异使得图像中出现对比，从而能够详细地可视化器官、肿瘤和其他结构。
如果不了解原子核的自旋特性，MRI的开发是不可能的。如今，MRI在全球范围内被用于诊断从脑肿瘤到关节损伤等多种疾病，展示了量子物理在我们日常生活中的又一个实际应用。
还有更多……
虽然我们已经介绍了量子物理在技术中一些最重要的应用，但当然还有更多。例如，核能，如果没有对原子内部工作原理的理解，我们就不会有为世界提供10%电力的400多座核反应堆，也不会有200多个研究级反应堆，这些反应堆还为工业和医疗用途生产放射性材料。
说到这里，除了MRI，量子物理对医疗技术也产生了深远影响。例如，正电子发射断层扫描（PET）利用听起来陌生的电子的反粒子来构建人体内部过程的图像。PET扫描将少量放射性物质引入体内，这些物质发射正电子。当正电子遇到电子时，它们会相互湮灭并产生两个相反方向的伽马射线。PET扫描仪检测到这些伽马射线，推断出其来源，从而绘制出放射性物质在体内的路径。
半导体技术多年来带来了许多进步，除了无处不在的晶体管外，隧道二极管也依赖于量子物理。在这些设备中，电子可以“隧穿”过能量屏障，而不是像经典物理所预期的那样需要越过它们。这些不同版本的二极管被用于改进从圣诞灯到太阳能电池，再到激光器和温度计等各种设备。
此外，量子概念和数学开始在远离传统物理学的领域中找到应用。量子生物学，例如，将量子原理应用于生物过程，研究诸如光合作用和鸟类导航等现象，在这些现象中，单纯的经典描述可能不足以解释。“量子”金融则借鉴了量子力学中的数学技术，用于建模金融市场，并更好地理解其看似随机的波动。
量子物理在我们日常生活中的嵌入程度比我们最初意识到的要深得多。从我们用来导航世界的电子设备，到帮助诊断和治疗疾病的医疗技术，再到推动金融系统的数学模型——量子力学的原理是我们刻意设计的现代世界的组成部分。而这还未涉及正在兴起的第二代量子技术。随着我们对量子系统的控制继续改进，更多的应用将会出现，因此，这就引出了一个问题：我们究竟对量子物理还有哪些不理解的地方呢？
量子目的论
量子物理几乎总是按时间顺序教授的。你阅读了一长串20世纪的科学英雄们如何揭示我们手指触及之下那个狂野而未驯服的世界。这个故事源于普朗克1900年的假设——能量是离散的。尽管我们不需要深入到这一步来介绍量子计算机，但量子物理的标准故事通常在约翰·贝尔1960年代关于“诡异”纠缠的工作中达到高潮。如今，我们正处在尚未书写的第二次量子革命的边缘。
在这过程中，标准的故事讲述了一部伟大的机器的诞生，这部机器与量子物理同时被创造出来，称为量子力学，它允许研究生们盲目地转动数学的曲柄，以预测更新和更极端的实验结果。人们常说，一代代的物理学家会“闭嘴计算”以获得学位和教授职位，最终再把这个程序传给下一代。量子物理这匹野马似乎被圈进了马厩，但仍未驯服。
当理查德·费曼随意地提到“理解”时，他不仅是在开启他那著名的量子物理讲座，还无意中踏入了哲学领域——这是他一向所嘲讽的。在认识论——知识本身的研究中，理解不仅仅是机械的掌握，而是一个丰富的概念，探究了思想之间的潜在意义和联系。这种哲学流派试图澄清知晓和存在的本质。正如你可能预料到的那样，面对这样一个宏大的任务，哲学家们在对“理解”一词的定义上往往意见不一。
另一方面，我们每个人都有一些直觉上的理解。在日常生活中，理解可能类似于知道如何骑自行车，而在物理学中，理解是指掌握使自行车运动的力量。你可能不了解平衡和运动背后的物理学原理，但通过感觉和经验，你“理解”了如何骑车。
当我们谈论物理学家的理解时，我们正走进一个宇宙机器被揭示的工作坊。物理学家努力去看清现象背后的齿轮和杠杆，力求直观地理解为什么事情会以特定的方式发生。这不仅仅是了解方程，而是能够像本能地倾斜身体入弯一样去感受它们。
然而，在量子物理的领域，游戏规则似乎发生了变化。在这里，理解就像是试图用赤手抓住烟雾——它在你的指尖间滑动和舞动。在经典物理中熟知的直觉力学消失了，取而代之的是抽象的数学对象和公式。你可以跟随它们，学习它们，甚至使用它们，但要获得对它们的具体机械理解似乎是不可能的。想象一下骑一辆没有人制造的自行车，其所有机制都隐藏起来，无法揭示。
如果关于量子物理的所有混合信息让你感到困惑，我希望你忘掉你所知道的一切，并记住下一段话。
量子物理是一门描述高度隔离系统的科学——这些系统不会与周围的其他东西随机交互。传统上，这些系统是微小的，比如原子，但现在我们可以在高度隔离的情况下工程化人工系统。任何极度隔离的东西都需要用量子物理来准确描述。这些东西编码的信息就是量子信息。如果你试图用经典物理或经典信息来对这些东西进行预测或陈述，你可能会大错特错。
量子物理并没有告诉我们超越我们经验的现实是什么。它只是告诉我们，无论它是什么，现实都不像我们在经典物理世界中习以为常的机械世界观。因此，如果“理解”要求对世界的解释——展示使其运作的因果关系——确实，目前还没有人达成这一点。
但这个传说并不是关于哲学的。因此，我们将坚持日常用语。也就是说，使用工具正是你理解其工作原理的方式。通常，人们会停止对他们熟悉的事物进行解释。当我们最终对量子技术变得如此熟悉时，“理解”这个词将只保留给那些成功驾驭其使用的人。我们对量子物理的“理解”不足并不妨碍我们构建量子计算机。
如果费曼还在世，我认为他会更好地阐述这句话。他可能会说，“不能用经典物理和信息来理解量子力学——它必须用量子信息的语言来理解。”或者，他可能会更简洁地说，“没人会说量子信息的语言。”实际上，在他职业生涯接近尾声时他说过，“自然不是经典的，见鬼，如果你想模拟自然，你最好让它是量子力学的，这真是个美妙的问题，因为它看起来并不那么容易。”他在1981年的一个研讨会上说的这句话通常被认为是量子信息与计算诞生的起点。
来源：老胡说科学
