科学简单点：什么是量子力学？

在这段"科学 101：什么是量子力学"的视频中，阿贡材料科学部学者凯瑟琳-哈蒙（Katherine Harmon）解释了什么是量子力学。量子力学是一种理论，涉及物质、能量和光的最基本位以及它们相互作用构成世界的方式。

这一具有里程碑意义的理论起源于 20 世纪初，在 21 世纪被广泛应用于现实世界。阿贡科学家哈蒙和许多其他科学家在实验室中应用量子力学，正在开发有朝一日能够改变社会和我们对宇宙认识的技术。量子传感器可以检测到以前检测不到的癌细胞。量子互联网可以确保信息和数据通信不受黑客攻击。量子计算机可以解决经典计算机无法解决的复杂问题。量子理论还将继续推进我们对宇宙的认识，从原子深处错综复杂的动力学，到宇宙诞生这样宏大的宇宙事件。

20 世纪初，科学家们开始发展量子力学，以解释一系列实验结果，这些实验结果无法用其他任何解释来解释。如今，科学家们利用这一理论创造出强大的技术--无法破解的信息通信、更快的药物发现以及手机和电视屏幕上更高质量的图像。

那么，什么是量子呢？从更广泛的意义上讲，"量子"一词可以指某种事物的最小可能量。量子力学领域研究的是最基本的物质、能量和光，以及它们相互作用构成世界的方式。

与我们通常思考世界的方式不同，我们想象事物分别具有粒子或波的特性（例如棒球和海浪），但这种概念在量子力学中行不通。根据不同的情况，科学家可能会观察到同一个量子物体具有粒子或波的特性。例如，光不能被认为只是光子（一种光粒子）或只是光波，因为我们可能在不同的实验中观察到这两种行为。

平日里，我们看到的事物每次只有一种"状态"：在这里或在那里，移动或静止，正面朝上或反面朝上。在量子力学中，物体的状态并不总是那么简单明了。例如，在我们确定一组量子物体的位置之前，它们可能存在于一个或多个位置的叠加（或一种特殊的组合）中。不同的可能状态就像池塘中的波浪一样相互组合和干扰，只有在我们观察之后，物体才会有一个确定的位置。叠加是使量子计算机成为可能的主要特征之一，因为它使我们能够用新的和有用的方式来表示信息。

另一种有趣的量子行为是隧穿，量子物体（如电子）有时可以穿过原本无法穿过的障碍。之所以会发生这种情况，是因为叠加允许电子有很小的几率出现在障碍的另一侧。量子隧道技术可应用于闪存设备、功能强大的显微镜和量子计算机等领域。

当量子物体相互作用时，它们通过一种叫做纠缠的联系彼此相连。即使物体之间相隔很远，这种联系也能保持。爱因斯坦称之为"距离的幽灵作用"。科学家们正在利用它进行超安全通信，它也是量子计算的一个基本特征。

在美国能源部（DOE）的阿贡国家实验室，科学家们利用世界一流的专业知识和研究设施，开发用于存储、传输和保护信息的量子技术，并研究我们的宇宙，从原子内部深处的复杂动力学到宇宙诞生这样宏大的事件。阿贡还领导着 Q-NEXT（美国能源部国家量子信息科学研究中心），该中心致力于开发量子材料和器件，并将量子技术的力量用于通信。

资料来源：阿贡国家实验室

什么是量子信息科学？利用原子尺度上的反直觉行为，我们可以在实用尺度上为信息科学带来强大变革。科学家们正在争分夺秒地开发能够存储、传输、操纵和保护信息的量子系统。

量子比特是量子计算和其他量子信息系统的基本组成部分。它们类似于经典计算机中的比特，要么是 0，要么是 1。量子比特的奇特之处在于，它们可以同时为 0 和 1。这种重叠状态极大地增强了量子计算机的性能。量子比特本身可以有多种不同的形式--电子、光粒子，甚至是高度结构化材料中的微小缺陷。

科学家们正在努力设计能在量子态中保持信息数秒（"相干性"）并能与其他量子比特连接（"纠缠"）的量子比特。

量子技术可以改变国家和金融安全、药物发现以及新材料的设计和制造，同时加深我们对宇宙的理解。

编译自:ScitechDaily