雷锋网按,量子计算无疑是2019年最受关注的前沿技术之一,IBM、谷歌、英特尔相继宣布了其最新成果,特别是谷歌宣布实现量子霸权更是引发轰动。当然,量子计算在学术圈也有不少进展,外媒livescience盘点了12个最重要的量子实验,许多实验都打破了我们的常规认知,文末的原文链接中有每个实验更具体地介绍,有兴趣的读者可以查阅。

2019年最重要、最惊人的12个量子实验-中国科技新闻网

小规模的事件也会产生巨大的后果。没有哪个学科能比量子物理学更好地证明了这一点,量子物理学探索的是非常小物体的奇怪行为。在2019年,量子实验进入了新的领域,尽管存在一些争议,实用的量子计算距离现实越来越近。下面这些是2019年最重要、最令人惊讶的量子事件。

谷歌宣布“量子霸权”

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(图片来源:Eric Lucero / Google,Inc.)

如果2019年有一个量子新闻要被载入史册,那可能是来自Google的一个重大公告:这家科技公司宣布已实现“ 量子霸权(Quantum Supremacy)”。这是一种自命不凡的说法,那就是Google所制造的计算机可以比传统计算机更快地执行某些任务。(经典计算机依赖于常规的1和0,例如你用于阅读本文的设备。)

谷歌的量子霸权主张如果得到证实,将标志着计算机历史上的一个转折点。量子计算机依赖奇怪的小规模物理效应(例如纠缠),以及纳米宇宙中的某些不确定性来执行计算。从理论上讲,这种特性使这些计算机比传统计算机具有某些优势。它们可以轻松破解传统的加密方案,发送完美加密的消息,比传统计算机更快地运行某些模拟计算,更容易解决通常认为的难题。困难在于,直到Google的宣布之前,没有人能制造出和理论一样,足够快的量子计算机,或者至少没有一个人能做到。

但是,并非所有人都接受这家科技公司的量子霸权主张。俄克拉荷马州立大学的量子怀疑论者和研究员Subhash Kak在一篇文章中阐述了进行生命科学的几个原因。

雷锋网注,谷歌宣布量子霸权之后,既有支持者,也有反对者,具体可以参考《谷歌「量子霸权」文章正式在Nature发表,圈内人评价“或将迎来下一波科技浪潮”》《炮轰 Google “实现量子霸权”论,IBM 拿出了终极依据》

千克量子

2019年的另一个量子拐点来自度量衡世界。标准的千克是定义所测量物体质量的单位,在130年的历史里,都是以在法国一个房间里重2.2磅的铂铱圆柱体为标准。不过这个在今年发生了改变。

旧的公斤相当好,过去几乎没有变化。但是新的千克几乎完美,它是基于质量和能量之间的基本关系,以及量子尺度上能量行为的奇怪特性,物理学家能够得出一个千克的定义,该定义从今年到宇宙终结将不会改变。

现实有点破裂 

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图片来源:Shutterstock / Juergen Faelchle)

一个物理学家团队设计了一个量子实验,实验表明事实会根据一个人对形势的看法发生变化。物理学家使用微型量子计算机中的光子进行了一次“抛硬币”,得到的结论是,在不同的探测器上结果是不同的,这取决于他们的观点。

实验学家在《生命科学》上的一篇文章中写道:“我们证明,在由量子力学的奇怪规则支配的原子和粒子的微观世界中,两个不同的观察者有权获得自己的事实。换句话说,根据我们对自然本身构成部分的最佳理论,事实实际上可以是主观的。”

首次看到纠缠图像

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(图片来源:格拉斯哥大学/ CC得分4.0)

物理学家第一次拍摄了阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)描述为“远距离的怪异动作”现象的照片,其中两个粒子尽管被隔开一定距离仍保持物理联系。量子世界的这一特征早已通过实验验证,但这是第一次有人看到它。

最大规模叠加

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(图片来源:维也纳大学Yaakov Fein)

在某些方面,量子叠加是量子纠缠的反义词,它使单个物体可以同时处于两个(或多个)位置,这是物质作为粒子和波同时存在的结果。通常,这是通过像电子这样的微小颗粒来实现的。

但是在2019年的一次实验中,物理学家设法实现了有史以来最大规模的叠加:使用“庞大”的,来自医学界称为“富含氟烷基硫烷基链的低聚四苯基卟啉”的2000个原子的分子。

热量穿越真空

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照片显示了允许热量穿过空白空间的实验装置。(图片来源:加州大学伯克利分校的紫罗兰·卡特)

在正常情况下,热量只能以一种方式穿越真空——辐射。(在夏日,当太阳的光线越过空间穿透你的脸时,你会感受到。)在标准物理模型中,热量以两种方式移动:首先,带电粒子可以撞击成其它粒子并转移其能量。(用手握住一杯温暖的茶上即可感觉到这种效果。)其次,温暖的液体可以替代较冷的液体。(当你打开车内的加热器,使温暖的空气充满车内时,就会发生这种情况。)因此,没有辐射,热量就无法越过真空。

但是像往常一样,量子物理学打破了规则。在2019年的一次实验中,物理学家发现了这样一个事实,在量子维度上,真空并不是真正的空。取而代之的是,它们充满了微小的、随机的波动,这些波动会突然出现或消失。研究人员发现,在足够小的范围内,热量可以通过从一个波动跃迁到显然是空的空间中的另一个波动,从而穿越真空。

因果反转

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(图片来源:NASA / JPL-Caltech)

接下来的发现远非经过实验验证的发现,甚至超出了传统量子物理学的领域。但是研究量子引力(一种旨在统一量子力学世界和爱因斯坦的广义相对论的理论构架)的研究人员表明,在某些情况下,一个事件可能会导致时间更早事件发生的效应。

由于广义相对论,某些非常重的物体可能会影响它们附近的时间流。我们知道这是真的。量子叠加表明物体可以同时在多个地方。研究人员写道,将一个非常重的物体(例如大行星)置于量子叠加状态,你可以设计因果关系顺序错误的奇异场景。

量子隧道破裂

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(图片来源:Shutterstock)

物理学家早就知道一种被称为“量子隧穿”的奇怪效应,也就是粒子穿过似乎无法通过的屏障。不是因为它们太小而发现了孔,2019年,一项实验说明了这是如何发生的。

量子物理学说粒子也是波,你可以将这些波视为粒子位置的概率预测。但是它们仍然在波动。海浪撞向海洋中,它会损失一些能量,但另一侧会出现较小的海浪。研究人员发现,在量子世界中也会发生类似的效应。而且,只要在障碍物的远端还有几分概率波,粒子就有机会使其穿过障碍物,并在似乎不适合的空间中穿行。

金属氢可能已经出现在地球上

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(图片来源:NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS / Gerald Eichstadt / Justin Cowart)

对于超高压物理学来说,这是重要的一年。最大胆的主张之一来自法国的一家实验室,该实验室宣布已为材料科学创造了一种圣杯物质——金属氢。在足够高的压力下,例如被认为存在于木星核心的压力,单质子氢原子被认为是碱金属。但是,从来没有人能够产生足够高的压力来证明在实验室中的效果。该团队说,今年他们看到了425吉帕斯卡(420万倍于海平面的大气压)。但是,并非每个人都赞成该主张。

量子乌龟

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(图片来源:芝加哥大学Courtesy of Lei Feng)

用磁场破坏大量的过冷原子,你将看到“量子烟花”:原子喷流沿随机的方向发射。研究人员怀疑烟花中可能有图案,但是从外观上并不清楚。不过,借助计算机,研究人员发现了烟花效果的形状——量子乌龟。但是,还没有人知道为什么要采用这种形状。

一台微型量子计算机使时光倒流

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(图片来源:Africa Studio / Shutterstock)

时间只能朝一个方向移动:向前。将牛奶洒在地面上,无法完全干燥污垢并将同样干净的牛奶倒回杯中。一个扩散的量子波函数是不会扩散的。

除了在这种情况。物理学家们使用一个微型的两比特量子计算机,编写出一种算法,该算法可以将波的每一个波纹返回到产生它的粒子上,从而消除事件并有效地使时光倒退。

另一台量子计算机看到了16种未来

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(图片来源:Sergei Slussarenko /格里菲斯大学)

量子计算机依赖叠加而不是1和0,它们具备一次执行多个计算的能力。这一优势在2019年开发的新型量子预测引擎中得到了充分展示。该引擎背后的研究人员通过模拟一系列关联事件,能够将16种可能的未来编码为引擎中的单个光子。现在是多任务处理!

雷锋网(公众号:雷锋网)编译,via livescience

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