第二次量子革命来临

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第二次量子革命来临
                               
                                  
                               
                                第十三回 | 第二次量子革命

撰文 | 弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）
翻译 | 胡风?梁丁当

量子力学诞生已近一个世纪，它源于维尔纳 · 海森 堡（Werner Heisenberg）、 埃 尔 温 · 薛 定 谔（Erwin Schr?dinger）和保罗 · 狄拉克（Paul Dirac）在20世纪20年代的发现。不过，这个理论也可能更古老，这取决于你如何定义这个领域，因为早在1899年，马科斯·普朗克（Max Planck）就在尝试解决黑体辐射问题时提出了量子的概念。时至今天，量子物理仍然日新月异、充满生机。一些通常较为矜持的物理学家都开始提及“第二次量子革命”。这似乎有些夸张，但这个成熟的领域确实正在焕发第二春。

量子理论揭示，世界要比我们之前认为的更加稠密——不是质量密度更大，而是结构更丰富。以我们如何描述两个粒子的物理状态为例，在经典物理中，我们只需描述它们各自的位置即可，而在量子物理学中，我们必须知道更多信息。对于空间中的每一对点，我们都必须给出粒子出现在这两个点上的几率。如果粒子数超过两个，其复杂度将会呈指数增长。

量子力学的先驱们是从非常间接的线索中推断出量子世界的丰富结构的。他们中几乎没有人想到我们可以直接看到量子世界，更别说是操控它。但是在各种新技术的协同作用下，量子世界正前所未有地接近我们。激光让我们能够探寻原子的世界，而强磁场使我们可以捕获单个原子或分子。商业需求推动晶体管日渐缩小，现已接近原子尺寸，同时也刺激了对微型化技术的投资。



除了新的技术，新的思想也在发挥着作用。物理学家学会了利用源于其他学科的概念，例如几何与拓扑，去理解量子力学所产生的巨大复杂性。他们也开始引入信息理论和网络理论。最重要的是，他们设计了新的算法，来充分利用更强大的计算机。

然而，这些创新所带来的最重要的影响可能是在心理层面。物理学家现在已有充分的信心研发量子层级上的工程科技。例如，在世界上最精确的时钟内，充当“钟摆”的是被磁阱俘获的原子，它释放的脉冲就是计时的基准，科学家利用激光精确捕捉原子脉冲的频率。这种时钟的精度现在可达到历经宇宙寿命那么长时间也仅误差一秒——而且科学家已有巧妙的方案，可使之更加精确。

最近，我对一种名为氮空位（NV）中心的新技术特别感兴趣。为了制备NV中心，你要取一颗微小的钻石，在其中加入一点氮。挤入到钻石晶格结构中的氮原子，会在其中形成小分子。一个氮原子会取代一个碳原子，同时挤跑了相邻位置的另一个碳原子，形成空位。

当你用激光照射NV中心时，它会吸收光子，并发出荧光。其吸收或发射的光，颜色依赖于周围环境。因此，NV中心有可能成为非常灵敏的探针，用于测量电场、磁场和温度等物理量，并具有极高的精度和准确的空间定位。不停移动钻石，你就可以在不同的位置点获取读数，甚至也能获得材料的表面图像，分辨率可达原子尺度。

除了普通的电场和磁场，真空中无处不在的量子涨落也会影响到NV中心。类似于行星表面覆盖着的大气，固体材料表面的量子涨落相当于包裹着它们的真空大气。正如通过行星的大气，我们可以了解行星表面发生的事情一样，通过量子涨落这个真空大气，我们也能揭示材料的新性质。NV中心能让我们探测量子大气，这促使我认真地思考它们。正如新的思想会催生新的工具，新的工具也会激发新的思想。