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TUhjnbcbe - 2023/3/24 20:30:00

微观世界中量子的奇异行为似乎与我们的日常的体验毫不相干、相去甚远,但这并不意味着量子科学仅仅是理论物理学家的抽象领域。实际上,量子科学已经融入到了我们日常生活的方方面面,已经而且还将不断地重塑我们社会生活的方方面面,我们到处都可以看到它的身影。下面列举一些量子科学实际应用的例子,同时简单介绍具体应用的原理。

广泛的科技应用

在许多通常而又广泛的科技应用中,量子力学起了重要的作用。例如,激光的工作机制是量子受激发射;半导体材料中的微电子能带及量子跃迁原理构成集成电路、太阳能电池和发光二极管(LED)以及我们随处可见的霓虹灯、路灯、荧光灯等;我们常用的U盘信息的存储和读取通过量子隧穿实现;原子钟使用束缚于原子的电子从一个能级跃迁至另一个能级时所发射出的微波信号的频率来计算与维持时间的准确性,是全球定位系统(GPS)的重要组成部分;等等。

电子的波特性以及量子隧穿用于制造更好的电子显微镜;核磁共振成像(MRI)基于量子自旋特性来探测人体器官或物体内部的结构;基于对半导体的电子能带特性导致了二极管和三极管的发明,这是现代电子系统与电子器件不可或缺的元件;基于电子形成的集体量子波功能的超导体可以显示零电阻,能够保持电流而不损失能量;超导体还排斥磁场,这是磁悬浮的奥秘所在;基于放射性原子的量子衰减率来确定从岩石到有机物的所有物质年龄,如用于对数十亿年前的岩石进行年代考古测定、对距今只有5万年的文物鉴定;等等。

量子计算与量子信息科学

经典计算与信息传递使用0和1作为比特,而量子计算与信息传递则使用量子比特作为基本单位。量子比特由不同的电子态叠加形成。叠加可以提高量子计算机的处理速度。量子计算机的速度将会比经典架构的计算机快成千上万倍。如此强大的功能将能更有效地筛选和分析海量的数据,解决复杂的数学问题,将可以应用于环境建模、治愈疾病、研发新材料、物流、金融服务、人工智能、云安全领域和研究量子世界本身等领域。

量子系统拥有一种特性,即对于量子数据的测量会不可避免地改变数据,这种特性可以用来侦测出任何窃听。倚赖这特性,量子密码学能够保证通信安全性。应用量子纠缠特性,量子遥传能够将物体的量子态从某个位置传送至另一个位置。

量子宇宙学

量子力学能够用来解释很多奇异的、先前无法解释的宇宙现象,例如宇宙微波背景的频谱可以用普朗克黑体辐射定律来解释。量子力学理论证实了大爆炸理论的正确无误。基于量子力学理论可以推论,早期宇宙非常炙热、对于电磁辐射不透明、具有均质性与各向同性,是标准的黑体。在恒星的生命终点,当所有核燃料都已用尽,恒星会开始引力坍缩的过程,最终可能变为白矮星、中子星或黑洞,这是因为泡利不相容原理。

量子化学

任何物质的化学性质,均是由其原子或分子的电子结构所决定的。通过解析包括了所有相关的原子核和电子的多粒子薛定谔方程,可以计算该原子或分子的电子结构。量子电动力学是当代化学的基础原理。量子力学可以详细描述原子的电子结构与化学性质。量子力学能够解释,在分子里的束缚电子怎样将分子内部的原子捆绑在一起。理论化学中的分支:量子化学和计算化学通过薛定谔方程来计算复杂的分子的结构及其化学性质。

量子生物学

量子理论还为许多先前无法解释的生物现象提供了准确的描述,洞悉了许多不同生物系统的工作原理,包括气味受体、蛋白质结构、光合作用、生物量子罗盘,证明量子在相关植物和许多其他生物的这一基本过程中起着至关重要的作用。酶是催化我们体内化学反应的生物动力,利用量子隧穿来帮助电子通过分子周围无法克服的能垒。如果我们能够了解这些过程的工作原理,那么我们将能够创造出人造催化剂,以环保的方式产生能量并制造新分子。

所有生物都依靠一种能量的转移和转化来维持自身的生命,无论能量在哪里转化,通常都涉及量子过程。量子生物学试图通过量子力学的角度来解释生物过程。生物生命的大多数功能都依赖于化学反应,而化学反应本身取决于电子的量子行为。光的吸收可用于产生化学能或将信息发送到感觉器官。同时,我们大脑中的神经元是在量子水平上运行的化学和电子网络的节点。如果我们了解这些过程的量子工作原理,那么我们将明了人的微观水平上的意识认知过程。

上面我们列举一些量子科学实际应用的例子,但实际上其应用并不限于这些领域。从上面的量子理论的应用,你不难看出,你离不开量子科学。如果没有它,你今天连手机都没得用,电视机看不了,计算机不是这个样子,你所使用的许多家电会变成“家具”,……,等等。

量子科学正在而且还将为人类的发展提供更为巨大的前景,还将极大地推进社会的发展进步。人类在经历了“工业文明时代”、“信息文明时代”之后,即将迈进“量子文明时代”。量子虽小,作用巨大。看似细小的量子为人类文明正在并将发挥伟大的作用影响,我们应该为有这样的量子感到高兴、感到自豪!我们需要为它祝福,祝福量子它:细微常在、永葆伟大!

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