“幽灵”量子力学的五个应用场景

量子力学很奇怪。这个理论描述了微小粒子和力的运作，它让阿尔伯特·爱因斯坦非常不安，以至于1935年他和他的同事声称这个理论一定是不完整的——它太“怪异”了，不可能是真实的。

问题在于，量子物理学似乎违背了因果关系、局部性和实在性等常识性概念。例如，即使你没有看月亮，你也知道月亮是存在的——这就是现实主义。因果关系告诉我们，如果你轻按电灯开关，灯泡就会亮。由于光速的硬性限制，如果你现在拨动一个开关，相关的效应不会在一百万光年之外立即发生。然而，这些原则在量子领域被打破了。也许最著名的例子是量子纠缠，它说宇宙两端的粒子可以内在地联系在一起，这样它们就可以立即共享信息——这个想法让爱因斯坦嗤之以鼻。

但在1964年，物理学家约翰·斯图尔特·贝尔证明了量子物理学实际上是一个完整可行的理论。他的结果，现在被称为贝尔定理，有效地证明了量子特性，如纠缠，就像月亮一样真实，今天量子系统的奇异行为被用于各种现实世界的应用中。以下是其中最有趣的五个:

极其精确的时钟

可靠的计时不仅仅是关于你的早晨闹钟。时钟使我们的科技世界同步，使股票市场和GPS系统保持一致。标准时钟利用钟摆或石英晶体等物理物体的规律振荡来产生“滴答”和“报时”。今天，世界上最精确的时钟，原子钟，能够使用量子理论的原理来测量时间。它们监测使电子在能级之间跳跃所需的特定辐射频率。位于科罗拉多州的美国国家标准与技术研究院(NIST)的量子逻辑时钟每37亿年才会慢一秒或快一秒。今年早些时候公布的NIST锶时钟将在50亿年的时间里保持如此精确——比地球现在的年龄还要长。这种超灵敏的原子钟有助于GPS导航、电信和测量。

原子钟的精度部分取决于所用原子的数量。在真空室中，每个原子独立地测量时间，并密切关注自身与相邻原子之间的随机局部差异。如果科学家把100倍的原子塞进一个原子钟，它的精度就会提高10倍——但你能塞进去的原子数量是有限的。研究人员的下一个大目标是成功地利用纠缠来提高精度。纠缠的原子不会专注于局部差异，而是只测量时间的流逝，有效地将它们聚集在一起，就像一个钟摆。这意味着在纠缠时钟中加入100倍的原子将使其精度提高100倍。纠缠在一起的时钟甚至可以连接起来，形成一个全球网络，可以测量与位置无关的时间。

牢不可破的代码

传统的密码学使用密钥工作:发送方使用一个密钥对信息进行编码，接收方使用另一个密钥对消息进行解码。然而，很难消除窃听者的风险，而且密钥可能会被泄露。这可以使用潜在的不可破解的量子密钥分发(QKD)来解决。在量子密钥分配中，关于密钥的信息是通过随机极化的光子发送的。这就限制了光子，使它只能在一个平面上振动——例如，上下或左右。接收方可以使用极化过滤器来解密密钥，然后使用选定的算法对消息进行安全加密。秘密数据仍然通过正常的通信渠道发送，但没有人能够解码信息，除非他们拥有确切的量子密钥。这很棘手，因为量子规则规定，“读取”极化光子总是会改变它们的状态，任何窃听的企图都会提醒通信者存在安全漏洞。

如今，BBN Technologies、Toshiba和ID Quantique等公司使用QKD来设计超安全网络。2007年，瑞士尝试了一款ID Quantique产品，在选举期间提供一个防篡改的投票系统。2004年，第一次使用纠缠QKD的银行转账在奥地利进行。这个系统保证了高度的安全性，因为如果光子纠缠在一起，入侵者对它们量子态的任何改变都会立即被监视携带钥匙粒子的人发现。但是这个系统还不能在远距离上工作。到目前为止，纠缠光子的最大传输距离约为88英里。

超级强大的电脑

标准计算机将信息编码为一串二进制数字或位。量子计算机超强的处理能力是因为它们使用量子比特或量子位，它们存在于叠加状态中——在它们被测量之前，量子位可以同时是“1”和“0”。

这一领域仍在发展中，但已经朝着正确的方向迈出了步伐。2011年，D-Wave Systems推出了128量子位的D-Wave One处理器，一年后又推出了512量子位的D-Wave Two处理器。该公司表示，这是世界上首批商用量子计算机。然而，这一说法遭到了质疑，部分原因是D-Wave的量子比特是否纠缠在一起尚不清楚。今年5月发布的研究发现了纠缠的证据，但只是在计算机量子比特的一小部分。芯片是否显示出可靠的量子加速也存在不确定性。尽管如此，美国宇航局和谷歌已经合作建立了基于D-Wave 2的量子人工智能实验室。去年，布里斯托尔大学的科学家们将他们的一个传统量子芯片连接到互联网上，这样任何有网络浏览器的人都可以学习量子编码。

改进的显微镜

今年2月，日本北海道大学的一组研究人员利用一种被称为微分干涉对比显微镜的技术，开发出了世界上第一台纠缠增强显微镜。这种显微镜向一种物质发射两束光子，并测量由反射光束产生的干涉图案——图案的变化取决于它们是击中平坦的表面还是不平坦的表面。使用纠缠光子大大增加了显微镜可以收集的信息量，因为测量一个纠缠光子可以得到它的同伴的信息。

北海道的研究小组成功地以前所未有的清晰度拍摄了一个位于背景上方17纳米处的雕刻“Q”。类似的技术可以用来提高被称为干涉仪的天文工具的分辨率，干涉仪可以叠加不同的光波以更好地分析它们的特性。干涉仪用于寻找系外行星，探测附近的恒星，以及寻找时空中的涟漪，即引力波。

生物指南针

人类并不是唯一利用量子力学的生物。一种主流理论认为，像欧洲知更鸟这样的鸟类在迁徙时使用这种怪异的动作来保持轨道。这种方法涉及一种叫做隐花色素的光敏蛋白，它可能含有纠缠电子。当光子进入眼睛时，它们会撞击隐花色素分子，并释放足够的能量将它们分开，形成两个活性分子或自由基，它们带有未配对但仍纠缠在一起的电子。鸟周围的磁场会影响这些隐色素自由基持续的时间。鸟类视网膜上的细胞被认为对纠缠自由基的存在非常敏感，这使得动物能够有效地“看到”基于分子的磁图。

然而，这个过程还没有完全被理解，还有另一种选择:鸟类的磁敏感性可能是由于它们喙上的磁性矿物的小晶体。然而，如果纠缠真的在起作用，实验表明，这种微妙的状态在鸟的眼睛中必须比在最好的人工系统中持续更长时间。磁罗盘也适用于某些蜥蜴、甲壳类动物、昆虫，甚至一些哺乳动物。例如，一种用于果蝇磁性导航的隐花色素也在人眼中被发现，尽管尚不清楚它是否或曾经用于类似目的。