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          量子力學有哪些實際應用?
          發布時間:2020-01-15
          出品:科普中國
          制作:柴知道
          監制:中國科學院計算機網絡信息中心
            近些年,由于中國在量子通信領域的研究喜報頻傳,市場上出現了很多炒作“量子科技”概念的各種“偽創新”產品,比如,如量子水杯、量子按摩、量子鞋墊、量子醫學等。

            

            某購物網站可以搜索到的部分量子產品

            為了避免大眾上當,知名主持人甚至在節目中直接建議,“凡是用錢能夠買到的量子產品全是假的”。

            

            然而,很多人免不了會產生這樣的疑問:量子到底是什么?量子力學、量子通訊領域研究成果這么多,目前真的還沒有開發出實用的量子產品嗎?我們今天就把大家的疑惑一一解答。

             

            

            什么是量子?

            1900年,普朗克在這篇只有九頁的論文里首次提出了能量的不連續性,一腳踢開了量子力學的大門。

            量子到底是什么呢?

            把一個長一米、寬一米的物體,放大十倍,再放大十倍,然后放大一千倍,再放大一千倍,最后再放大一百億倍,你就進入了量子的世界。

            量子世界里,所有物質都可以被還原成61種基本粒子。其中最重的基本粒子,質量也不超過3.1×10^-25千克。

            和宏觀世界不同,量子世界里很多物理量是不連續的,比如質量,電荷,甚至是能量,都有一個最小的單元。這些單元不可分割,任何數值只能取它們的整數倍。這就好比你可以從口袋里掏出5毛或者1分錢,但你永遠也掏不出來半分錢。所謂量子,就是指這些不可分割的最小單元。

             

            目前真的沒有真正的量子產品嗎?

            并不是!今天你用到的每一款電子設備,其實都是量子力學的周邊產品,它們的特點是,便宜、穩定,而且靠譜。

            它就是晶體管。晶體管的祖師爺是瑞士物理學家布洛赫, 1928年,他在博士論文中提出布洛赫波的概念,在此基礎上發展出的能帶理論,極大推進了半導體材料的研究進展。能帶理論揭示了固體內部電子的運動特點,因為這個理論,科學家才終于弄清楚了導體、絕緣體和半導體究竟是怎么一回事兒。

            

            晶體管 (圖片來源:維基百科)

            1947年的1223日,貝爾實驗室的三位研究員利用鍺半導體,發明出了第一枚點觸式晶體管,這標志著信息時代的正式開始。

            除了晶體管,另一款暢銷的量子周邊產品是固態硬盤。

            它由1927年德國物理學家洪德發現的“量子隧穿效應”為原理制成:只要施加外部電壓,電子能像穿越隧道一樣,穿過勢能遠大于自身動能的勢壘,進入浮柵,完成寫入過程,比傳統機械硬盤快得多。

            固態硬盤的最初設計來自貝爾實驗室,1967年,臺灣工程師施敏和同事從甜點的夾層涂醬中獲得靈感,制作出了一款基于量子隧穿效應的非揮發性內存;然后又經過20多年的研發,第一款成熟的固態硬盤產品才算誕生。 

            同樣基于“量子隧穿效應”制成的還有另一款產品:掃描隧道顯微鏡。掃描隧道顯微鏡的原型機是IBM公司的蘇黎世研究實驗室于1981年生產。它能探查物體表面單原子級別的起伏,甚至可以在低溫下 用探針精確操作單個分子或原子。毫不夸張地說,納米技術就是因為這款顯微鏡才得以誕生的。

            這款產品的售價是80萬人民幣。相比其它的周邊產品,這款貴是貴了點,但是它的作用大,本身價值也高,可以這么說,目前幾乎任何一項新型材料的研發,都需要用到它。

            

            幾乎任何一項新型材料的研發都需要用到的掃描隧道顯微鏡

            (圖片來源:百度百科)

            還有一款非常有潛力的量子產品是,利用“受激輻射”原理開發的激光器。

            受激輻射是愛因斯坦在1917年預言的量子現象。簡單點說,就是通過刺激處于激發態的原子,讓里面的電子躍遷到能量更低的狀態,由此釋放出頻率一致,傳播方向一致,相位一致,偏振狀態一致的光子束。

            直到40多年后,美國休斯頓實驗室才用紅寶石發射出了世界上的第一束激光。有了合適的激光器,你就能自己刻錄光盤、掃描打印、切割玻璃,甚至還能用激光測距、做指紋鑒定、或者把它改造成激光滅蚊器。

            如何分辨市面上的產品是否真的是量子產品? 

            要想獲得最準確的判斷,當然是請教量子領域的專家。但畢竟我們大部分人都很難接觸到量子領域的專家,這里我們給大家提供一個非常簡單的方法。

            總結一下這些靠譜的量子產品,你會發現,它們都有一個共同點:名字里面都不帶量子兩個字。

            因為歸根結底,“量子”只是一套微觀領域里的物理定律。

            就像你不會把“智人”兩個字加在自己名字前面一樣,真正靠譜的量子產品,也沒有必要把量子寫到名字上。

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          文章內容僅為作者觀點,不代表中國科普博覽網、中國科普博覽網運行單位、中國科普博覽網主辦單位的任何觀點或立場。
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