探索丨量子力学与日常生活的关联

量子力学作为现代物理学的重要基石，自20世纪初诞生以来，已从纯粹的理论研究逐步走向广泛的实际应用，深刻地改变了人类对物质世界的认知，推动了众多科学领域和技术的飞速发展。从微观粒子的奇特行为到宏观世界的物理现象，量子力学的原理和理论渗透到了日常生活的各个角落，对科技进步和人类社会发展产生了深远影响。随着科技的不断进步，量子力学在现代生活中的应用日益广泛，涉及通信、计算、能源、医疗等多个关键领域。在通信领域，量子通信技术利用量子纠缠和量子密钥分发等特性，实现了信息的安全传输，为信息时代的网络安全提供了全新的解决方案；在计算领域，量子计算机的出现有望突破传统计算机的计算能力限制，能够在短时间内解决复杂的数学问题，如密码破解、优化问题、分子模拟等，为科学研究和工程应用带来革命性的变化；在能源领域，量子力学为太阳能电池、超导材料等新能源技术的发展提供了理论支持，有助于提高能源利用效率，推动可持续能源的发展；在医疗领域，量子力学的应用促进了磁共振成像（MRI）、量子传感器等技术的发展，提高了疾病诊断的准确性和早期检测能力，为人类健康事业做出了重要贡献。

▏****量子计算量子计算在实际应用中展现出了巨大的优势。在药物研发领域，量子计算机可以通过模拟分子的量子力学行为，快速准确地预测药物分子与靶点之间的相互作用，加速新药的研发进程。传统方法在模拟复杂分子结构和相互作用时，计算量巨大且耗时较长，而量子计算机能够利用其强大的计算能力，在短时间内完成复杂的模拟任务，为药物研发提供更多的可能性。例如，谷歌公司与合作伙伴利用量子计算机模拟了有机分子的电子结构，为新型药物的设计提供了关键信息。在金融风险预测方面，量子计算机也具有重要应用价值。金融市场的复杂性使得风险预测成为一项极具挑战性的任务，传统计算机在处理大量金融数据和复杂模型时往往面临计算能力的限制。量子计算机可以通过量子算法对海量金融数据进行快速分析和处理，更准确地预测市场趋势和风险，为金融机构的决策提供有力支持。例如，通过量子机器学习算法，能够更高效地挖掘金融数据中的潜在模式和规律，提高风险预测的准确性。

▏****量子通信量子通信是量子力学与通信技术相结合的产物，它利用量子态的特性来实现信息的安全传输。量子通信的核心原理包括量子纠缠和量子密钥分发。量子纠缠是一种量子力学现象，两个或多个纠缠的量子粒子之间存在着非局域的关联，对其中一个粒子的测量会瞬间影响到其他粒子的状态。量子密钥分发则是利用量子态的不可克隆性和测量坍缩特性，实现通信双方安全的密钥共享。在量子通信中，最常用的是量子密钥分发技术，如著名的BB84协议。该协议的基本原理是发送方（Alice）随机选择量子比特的状态并发送给接收方（Bob），Bob在接收到量子比特后进行测量，并记录下测量结果。通过公开部分信息，Alice和Bob能够检测出是否有窃听者存在。因为根据量子力学的不确定性原理，任何对量子比特的测量都会干扰其状态，窃听者的窃听行为必然会导致量子态的改变，从而被通信双方察觉。这种基于量子力学原理的安全性是传统通信加密方式无法比拟的，传统加密方式在理论上存在被破解的风险，而量子通信的安全性基于物理原理，在现有理论框架下是无条件安全的。量子通信在金融领域有着重要应用。金融交易涉及大量的敏感信息，如账户资金、交易指令等，对信息安全的要求极高。量子通信的高安全性可以确保金融交易信息在传输过程中不被窃取或篡改，保护金融机构和客户的利益。例如，一些银行和金融机构已经开始试点应用量子通信技术来保障在线交易的安全，通过量子密钥分发为交易双方建立安全的通信通道，防止黑客攻击和信息泄露。在政务领域，量子通信同样发挥着关键作用。政府部门之间的信息传输往往包含重要的政策文件、机密情报等，需要高度的安全保障。量子通信技术可以为政务通信构建安全可靠的网络，提升政府信息系统的安全性和保密性。例如，我国的量子保密通信“京沪干线”项目，连接了北京、上海等多个城市，为政务、金融等领域提供了安全的量子通信服务，保障了重要信息的传输安全。

▏****量子传感在医疗诊断中的应用量子传感器是基于量子力学原理设计的新型传感器，利用量子叠加、量子纠缠等量子特性实现对物理量的高灵敏度检测。与传统传感器相比，量子传感器具有超高的灵敏度和分辨率，能够探测到极其微弱的信号，在医疗诊断领域展现出独特的优势。在癌症早期检测方面，量子传感器发挥着重要作用。癌症的早期发现对于提高治疗成功率和患者生存率至关重要，但传统检测方法在早期检测时往往存在灵敏度不足的问题。量子传感器能够检测到生物标志物的微小变化，为癌症的早期诊断提供有力支持。例如，量子点传感器是一种基于量子点材料的量子传感器，量子点是一种尺寸在纳米级别的半导体粒子，具有独特的光学和电学性质。当量子点与特定的生物标志物结合时，其荧光特性会发生变化，通过检测这种变化可以实现对生物标志物的高灵敏度检测。研究表明，量子点传感器能够检测到极低浓度的癌症相关生物标志物，如肿瘤标志物蛋白质、微小RNA等，有助于在癌症早期阶段发现病变。在生物标志物检测中，量子传感器的高灵敏度也得到了充分体现。生物标志物是指示生物过程或疾病状态的分子，准确检测生物标志物对于疾病的诊断、治疗监测和预后评估具有重要意义。超导量子干涉器（SQUID）是一种基于量子效应的磁传感器，能够探测极其微弱的磁场变化。在生物标志物检测中，SQUID可以通过检测生物分子的磁性变化来实现对生物标志物的检测。例如，将磁性纳米粒子与生物标志物特异性结合，当生物标志物存在时，磁性纳米粒子的聚集状态会发生改变，从而引起磁场的微小变化，SQUID能够精确地检测到这种变化，实现对生物标志物的高灵敏度检测。此外，基于原子的量子传感器也在生物标志物检测中展现出潜力，原子传感器利用原子的量子相干性和精细能级结构，对周围环境的微小变化非常敏感，可以用于检测生物分子的存在和浓度变化。

▏****磁共振成像（MRI）的量子力学原理磁共振成像（MRI）是现代医学中重要的诊断工具之一，其工作原理基于量子力学中的核磁共振现象。在MRI中，人体被置于强磁场中，人体内的氢原子核（质子）就像一个个小磁针，在强磁场的作用下会沿着磁场方向排列。当向人体施加特定频率的射频脉冲时，氢原子核会吸收射频脉冲的能量，从低能级跃迁到高能级，处于激发态。当射频脉冲停止后，氢原子核会逐渐回到低能级，释放出吸收的能量，产生射频信号。MRI利用量子力学中的拉莫尔进动原理来确定氢原子核的位置和密度。拉莫尔进动是指在强磁场中，原子核会绕着磁场方向做进动，其进动频率与磁场强度成正比。通过检测不同位置氢原子核释放的射频信号的频率和强度，MRI设备可以重建出人体内部的图像，显示出不同组织和器官的结构和形态。MRI在医学诊断中具有重要意义。它能够提供高分辨率的人体内部图像，对于多种疾病的诊断和病情评估具有重要价值。在神经系统疾病的诊断中，MRI可以清晰地显示大脑和脊髓的结构，帮助医生诊断脑肿瘤、脑梗死、多发性硬化等疾病。在心血管疾病的诊断中，MRI能够提供心脏的形态、功能和血流信息，有助于诊断心肌梗死、心肌病、先天性心脏病等。此外，MRI在肿瘤学、骨科学、泌尿生殖系统疾病等领域也广泛应用，为医生提供了重要的诊断依据。与其他影像学检查方法相比，MRI不使用电离辐射，对人体相对安全，能够提供丰富的软组织对比信息，对于早期疾病的发现和诊断具有独特优势。

▏****量子成像在安防与工业检测中的应用量子成像，又被称为鬼成像，是一种基于量子力学原理的新型成像技术。它利用了量子纠缠和量子关联等特性，实现对物体的成像。与传统成像技术不同，量子成像可以在不直接接触物体的情况下，通过对量子态的测量和关联分析来获取物体的图像信息。在量子成像中，通常会使用纠缠光子对。纠缠光子对中的两个光子之间存在着紧密的量子关联，即使它们在空间上分离，对其中一个光子的测量也会瞬间影响到另一个光子的状态。在成像过程中，将纠缠光子对中的一个光子（信号光子）射向目标物体，另一个光子（参考光子）则直接被探测器接收。信号光子与目标物体相互作用后，其状态会发生改变，携带了目标物体的信息。通过对参考光子和经过物体后的信号光子进行符合测量，即同时测量两个光子的某些物理量，并分析它们之间的关联，就可以重建出目标物体的图像。例如，通过测量纠缠光子对的偏振态、相位等物理量的关联，能够获取目标物体的形状、位置等信息。量子成像在安防监控领域具有独特的优势。传统安防监控摄像头在低光照、复杂环境或遮挡情况下，成像质量往往会受到严重影响，导致无法清晰捕捉目标物体的特征。而量子成像技术能够利用量子态的特性，在极低的光照条件下实现高质量成像。即使目标物体部分被遮挡，量子成像也可以通过量子关联分析，恢复出被遮挡部分的信息，从而提供更全面、准确的监控图像。在一些重要场所的安防监控中，量子成像技术可以更有效地检测入侵行为、识别可疑人员，提高安防系统的可靠性和安全性。量子力学的发展为我们展现了一个充满无限可能的未来 。尽管面临诸多挑战，但只要我们积极应对，不断创新，就一定能够充分发挥量子技术的优势，为人类社会的发展做出更大的贡献。相信在不久的将来，量子技术将在更多领域得到广泛应用，为我们的生活带来更多的便利和惊喜。（图片源自网络）
作者 | 几维鸟毕业于新西兰林肯大学。对大众科普知识拥有浓厚兴趣，曾在多个科普期刊上发表过科普文章。关注事实，积极探索前沿科技。

初审 | 陈嘉琦、李书豪复审 | 魏星华
终审 | 韩永林