“遇事不决,量子力学”—前沿技术量子科技到底是什么?

admin 科技资讯 2024-08-16 21 0

近年来,量子科技发展突飞猛进,已成为新一轮科技革命和产业变革的前沿领域,对促进高质量发展、保障国家安全具有非常重要的作用。


那么,什么是量子科技?
量子科技有多牛?
在生活中哪些会用到这种“科幻般的技术”?
武汉又有多少相关领域的企业?

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量子科技是什么?

要搞懂量子科技,还要从量子力学说起。

量子力学发源于20世纪初,许多科学家——普朗克、爱因斯坦、玻尔、海森堡、薛定谔等为之着迷,它是研究物质世界微观粒子运动规律的物理学分支,如果一个物理量存在最小的不可分割的基本单位,则这个物理量是量子化的。

▲物理学家薛定谔曾用一只猫比喻量子叠加

我们应该都听过“薛定谔的猫”:箱子里有一只猫,在宏观世界中它要么是活的,要么是死的。但在量子世界中,它可以同时处于生和死两种状态的叠加。这个实验只是通过宏观角度的猫来为我们解释微观世界的叠加状态,这就是一个量子力学的故事,让很多人猜不着摸不透,人们常常用一句半开玩笑的话来形容“量子力学”:“遇事不决,量子力学。”
不过,调侃归调侃,“量子力学”是今天被验证的最严密的物理理论之一,至今为止,所有的实验数据均无法推翻“量子力学”。
量子科技有多牛
谷歌曾称,其研发的量子计算机成功在3分20秒时间内,完成传统计算机需1万年时间处理的问题,并声称是全球首次实现“量子霸权”;清华大学副校长、中国科学院院士薛其坤说,目前全球一年产生的数据需要百亿TB的存储量才能完成,而未来的量子存储设备,可能只需指甲盖大小就能存储人类几百年的信息数据……
而更多量子领域的现象还未得到科学解释:超导体,完全屏蔽磁场;超流体,内部摩擦力为零;时间晶体,经典时空对称破缺;不用光的反射成像;可以通过光改变引力为斥力的卡西米尔效应;单原子酶催化,背后量子隧穿现象等等。可以说,量子科技就是人类科学认知的极限,会让你的想象力都开始显得匮乏……
量子技术在生活中的运用

当前量子科技主要应用于量子计算、量子通信和量子测量三大领域,在我们日常生活中常见的使用量子技术的产品主要有以下四个:

01LED

LED灯,也被称为发光二极管,几乎每个家庭都在使用,因为它们比其他灯泡更节能、更明亮。

LED 的工作原理是使用半导体,即在铜线等良导体和玻璃等绝缘体之间导电的材料。 这些半导体设计有孔,当电子通过电流穿过电子空穴时,它们会通过光子或光粒子释放能量。这种光的颜色由半导体内孔的大小决定,只有部分 LED 使用了量子技术。

LED 中的量子技术在电子释放光子时发挥作用,它们的量子态会降低。这使得 LED 整体上更加节能。

LED 不仅用于家庭照明,还用于数据通信,例如用于听音系统。除此之外,LED 还用于通过光纤电缆发送数据,甚至被用于检测生命。美国陆军研究实验室正在利用紫外光谱中的LED来诱导不同的生物体的荧光,如藻类荧光试验。

LED还用于纹身,当 LED与纹身墨水同时注入身体时,这些纹身就会亮起来。有几家医疗公司正在研究这些纹身的医疗应用,包括血糖检测仪,或协助其他监测。但美国食品和药物管理局还尚未批准这些设备。

02 激光

与 LED 一样,激光也利用了量子物理学的特性。根据福布斯杂志的一篇文章,当具有高能级的原子与具有精确波长的光子相互作用时,激光就会工作,然后使原子发射与第一个光子完全相同的第二个光子。在这里,原子的量子态随着它们发射光子而降低。如此循环,便会产生激光。

虽然激光在演讲厅中很常见,但激光还有许多其他应用。从军用武器,枪支瞄准器、到显微镜,激光无处不在。无论你是扫描杂货还是在宠物的项圈上刻标签、玩激光游戏,所有这些都涉及激光。

研究甚至表明,科学家可能会使用高功率激光来诱发降雨和闪电风暴。如果可能的话,这将有助于解决世界各地的干旱和洪水灾害。

03 全球定位系统

日常生活中采用量子技术最为广泛的设备之一,便是GPS。

GPS 以原子钟的形式使用量子技术。原子钟通过量子物理学的特性工作。使用铯或铷原子,这些时钟“滴答作响”,因为特定微波的振荡会驱动这些原子的两个量子态之间的跃迁。因此,原子钟非常精确。

GPS 的工作原理是使用来自多个原子钟的信号,查看来自不同卫星的不同到达时间,然后从原子钟和卫星获取数据以确定你的距离和目的地有多远。每次你需要导航时,GPS 都会使用光速将原子钟给出的时间转换为距离,从而为人们提供精确的导航。

04 核磁共振

核磁共振是一种众所周知的医生和其他专业人员进行人体成像的方法。核磁共振机器使用量子技术对软组织和身体其他部位进行成像,这些部位在 X 射线中可能无法很好地显示出来。

核磁共振机器通过使用氢原子工作,像所有原子一样,氢原子的原子核在自旋上具有特定的排列。核磁共振机器使用精心布置的磁场翻转这些氢原子的自旋。这些自旋翻转是氢原子量子态的一部分,可以在量子水平上改变这些原子之间的相互作用。使用这些翻转旋转,医生可以查看体内不同浓度的氢,看到 X 射线上看不到的东西。

新区量子科技发展

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